《材料弹性模量及其影响因素》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料弹性模量及其影响因素（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料弹性模量及其影响因素材料弹性模量及其影响因素 定义 单向拉伸： = E 物理意义： E: 弹性模量 Q235钢钢在拉伸时的在拉伸时的- 曲线曲线 材料对弹性变形的抗力，即材材料对弹性变形的抗力，即材 料发生弹性变形的难易程度，料发生弹性变形的难易程度， 代表了代表了材料材料的刚度的刚度 2231 1 1123 1 3312 1 E 物理本质 弹性变形弹性变形： 外力克服原子间作用外力克服原子间作用 力，使原子间距发生力，使原子间距发生 变化的结果变化的结果 弹性模量弹性模量： 表征原子间结合力表征原子间结合力 强弱的一个物理量强弱的一个物理量 其值的大小反映了其值的大小反映了 原子间结合力
2、的大原子间结合力的大 小小 原子间引力和斥力相互作用示意图原子间引力和斥力相互作用示意图 影响因素 出发点：原子间结合力原子间距 内因： 键合方式 共价键、离子键和金属键都有较高的 E值， 分子键结合力较弱， E值较低 原子结构 E值随原子序数发生周期性变化 过渡族金属E值很高，如Fe,Ni,Mo,W,Mn,Co等 同一周期的元素同一周期的元素,E值随原子序数值随原子序数 增加而增大增加而增大,这与元素价电子增多这与元素价电子增多 及原子半径减小有关及原子半径减小有关 Na Mg Al Si 同一族的元素同一族的元素, E值随原子序数增值随原子序数增 加而减小加而减小,这与原子半径增大有关这与
3、原子半径增大有关 Be Mg Ca Sr Ba 过渡族金属不符合上述规律过渡族金属不符合上述规律,由右由右 图可知图可知,过渡族金属的弹性模量极过渡族金属的弹性模量极 高高,过渡族金属的特性在理论上尚过渡族金属的特性在理论上尚 未解决未解决,但可想见但可想见,d层电子的特殊层电子的特殊 结构应起重要的作用结构应起重要的作用 Fe、Ni、Mo、W、Mn、Co 弹性模量的周期性变化弹性模量的周期性变化 晶体结构晶体结构 单晶体：弹性各向异性单晶体：弹性各向异性 多晶体：弹性伪各向同性多晶体：弹性伪各向同性 非晶态：弹性各向同性非晶态：弹性各向同性 体心立方金属或合金体心立方金属或合金 晶向的弹性模
4、量晶向的弹性模量E111最大最大 晶向的弹性模量晶向的弹性模量E100最小最小 其他晶向介于二者之间其他晶向介于二者之间 多晶体弹性模量是各个晶向弹性模量的统计平均值多晶体弹性模量是各个晶向弹性模量的统计平均值 体心立方体心立方 合金元素合金元素 合金中固溶溶质元素可改变合金的晶格常数，但一般情况合金中固溶溶质元素可改变合金的晶格常数，但一般情况 下这种影响很小。例钢铁合金中，碳钢和合金钢的下这种影响很小。例钢铁合金中，碳钢和合金钢的E值相值相 当接近，室温下小于当接近，室温下小于10%。若只考虑刚度问题，可用碳钢。若只考虑刚度问题，可用碳钢 代替低合金钢代替低合金钢 特别地，化学成分的重大改
5、变和具有高弹性模量的第二相特别地，化学成分的重大改变和具有高弹性模量的第二相 质点可以使弹性模量发生显著变化质点可以使弹性模量发生显著变化 合金元素大多降低有限固溶体合金的弹性模量，但若形成合金元素大多降低有限固溶体合金的弹性模量，但若形成 高熔点、高弹性模量的第二相质点，则可提高弹性模量高熔点、高弹性模量的第二相质点，则可提高弹性模量 12 11 0102 1.05 11.05 1.0 0.40.650.40.65 外因 温度温度 温度是对弹性模量影响较大的一个外部因素。通常，温度温度是对弹性模量影响较大的一个外部因素。通常，温度 升高，原子间距增大，原子间结合力减弱，升高，原子间距增大，原
6、子间结合力减弱，E值降低。碳值降低。碳 钢加热时每升高钢加热时每升高100 ，其，其E值下降值下降3%5% 对于结构零件，在对于结构零件，在-50 50 的温度范围内服役时，的温度范围内服役时， E 值变化很小，可视为常数值变化很小，可视为常数 对于精密仪表中的弹性元件，对于精密仪表中的弹性元件， E值随环境温度的微小变化值随环境温度的微小变化 都会影响仪表精度，因此要选用恒弹性合金来制造都会影响仪表精度，因此要选用恒弹性合金来制造 加载速率加载速率 固体的弹性变形以介质中的声速传播，远超过实际加载固体的弹性变形以介质中的声速传播，远超过实际加载 速率，故加载速率对弹性模量无大的影响速率，故加
7、载速率对弹性模量无大的影响 冷塑性变形冷塑性变形 冷塑性变形使冷塑性变形使E值稍有降低，一般降低值稍有降低，一般降低4%-6%，此与出现，此与出现 残余应力有关。当塑性变形量很大时，因产生形变织构而残余应力有关。当塑性变形量很大时，因产生形变织构而 使使E值出现各向异性，沿变形方向值出现各向异性，沿变形方向E值最大值最大 相变相变 材料在相变过程中往往发生晶体结构或晶格常数的突变，材料在相变过程中往往发生晶体结构或晶格常数的突变， 因而在相变点经常发生因而在相变点经常发生E值的突变值的突变 显微组织（热处理）显微组织（热处理） 弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标（如晶粒大弹性模量是一个对
8、组织不敏感的力学性能指标（如晶粒大 小对小对E值无影响；第二相大小和分布对值无影响；第二相大小和分布对E值影响也很小；值影响也很小； 淬火后淬火后E值虽稍有下降，但回火后又恢复到退火状态的数值虽稍有下降，但回火后又恢复到退火状态的数 值）。但灰口铸铁除外，其值）。但灰口铸铁除外，其E值与组织密切相关。值与组织密切相关。 石墨组织对灰口铸铁弹性的影响 灰铸铁组织灰铸铁组织 基体组织基体组织+片状石墨组织片状石墨组织+非金属夹杂物组织非金属夹杂物组织 片状石墨组织片状石墨组织 石墨是碳的一种结晶方式，颜色为灰黑色。石墨比重小，石墨是碳的一种结晶方式，颜色为灰黑色。石墨比重小， 只有铁的只有铁的1/
9、3，故在铸铁中占的相对体积比较大，故在铸铁中占的相对体积比较大，3wt%的的 石墨在铸铁中占有石墨在铸铁中占有10%左右的体积左右的体积 石墨几乎没有机械性能，存在于基体中，相当于裂口。灰石墨几乎没有机械性能，存在于基体中，相当于裂口。灰 铸铁中的石墨呈叶片状，边缘尖锐，易造成极大的应力集铸铁中的石墨呈叶片状，边缘尖锐，易造成极大的应力集 中，尖锐边缘处的应力可达平均值的中，尖锐边缘处的应力可达平均值的5倍以上，在微小载倍以上，在微小载 荷作用下，就会超过屈服强度，产生残留变形荷作用下，就会超过屈服强度，产生残留变形 基体+片状石墨X100基体+片状石墨X500 片状石墨组织对灰口铸铁弹性的影
10、响片状石墨组织对灰口铸铁弹性的影响 在灰口铸铁中，石墨边缘由于应力集中造成了显微的残留变形。在灰口铸铁中，石墨边缘由于应力集中造成了显微的残留变形。 所以灰口铸铁的应力应变曲线即使在较低的应力作用下也不呈直线，而有一所以灰口铸铁的应力应变曲线即使在较低的应力作用下也不呈直线，而有一 定的曲率。因此，灰口铸铁定的曲率。因此，灰口铸铁 的弹性模量只有相对的意义的弹性模量只有相对的意义 ，且与碳钢相比有，且与碳钢相比有 明显的下降明显的下降 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0246 石墨，% 弹性模量，GPa 灰口铸铁在拉伸时的灰口铸铁在拉伸时的- 曲线曲线石墨数量与灰口
11、铸铁弹性模量的关系石墨数量与灰口铸铁弹性模量的关系 灰口铸铁中石墨愈多，边缘愈尖锐，尺寸愈大，分布形式愈不利，总灰口铸铁中石墨愈多，边缘愈尖锐，尺寸愈大，分布形式愈不利，总 之对基体的破坏愈大，则弹性模量下降的也愈多。普通碳钢之对基体的破坏愈大，则弹性模量下降的也愈多。普通碳钢E值约为值约为 210GPa，铸铁中石墨呈球状时，铸铁中石墨呈球状时， E值约为值约为150-170GPa，普通片状石墨，普通片状石墨 的灰口铸铁的灰口铸铁E值只有值只有80-150GPa 灰铸铁中石墨片的分布形式 灰铸铁中石墨片的分布形式 A型石墨型石墨均匀无方向性分布片状均匀无方向性分布片状 B型石墨型石墨均匀无方向
12、性分布菊花状均匀无方向性分布菊花状 C型石墨型石墨均匀无方向性分布初生针片状均匀无方向性分布初生针片状(粗大粗大) D型石墨型石墨无秩序无方向性分布于枝晶间无秩序无方向性分布于枝晶间 E型石墨型石墨有秩序有方向性分布于枝晶间有秩序有方向性分布于枝晶间 相比较而言相比较而言, C 、 E 、 D型石墨对弹性模量影响型石墨对弹性模量影响 最大最大,B型次之型次之,A型影响相对最小型影响相对最小 提高弹性模量的途径 石墨片的细致化石墨片的细致化 石墨片的均匀化石墨片的均匀化 石墨片尖端钝化石墨片尖端钝化 减少减少C 、D 、E 型石墨数量型石墨数量,尽量获得尽量获得A型型 石墨石墨 灰口铸铁的孕育处理基本可实现上述变化灰口铸铁的孕育处理基本可实现上述变化
