原子間作用力決定于金屬原子本身和晶格類型,故彈性模量也主要取決于金屬原子本性與晶格類型。溶質(zhì)元素雖可以改變合金的晶格常數(shù),但對于常用金屬材料而言,合金元素對其晶格常數(shù)的改變不大,因而對彈性模量影響小。合金鋼和碳鋼的彈性模量數(shù)值相當接近,差值不大于12%。 熱處理對彈性模量的影響不大,如晶粒大小對彈性模量無影響;第二相大小和分布對彈性模量影響也很小;淬火后彈性模量雖有所下降,但回火后又恢復到退火前的狀態(tài)值。但是,彈簧鋼 (60Si2MnA) 在經(jīng)過熱處理(淬火+回火)后,彈性模量變化不大,而不同的溫度回火后,切變模量變化較明顯。設(shè)計中若對此不予以考慮,可能會造成一定誤差。
對于60Si2MnA材料熱處理雖然對E的影響很小,但是G卻有明顯變化,根據(jù)剪切模量、彈性模量及泊松比的關(guān)系:G=E/(2(1+υ),可以得出是熱處理會影響υ 值。但是,這種關(guān)系是否具有普適性還有待探討。
若試件為塑性材料,被加載至塑性階段后再卸載,則當材料返回平衡狀態(tài)時,彈性應變消失,而塑性應變不會消失,結(jié)果材料出現(xiàn)永久變形,如圖a所示。該過程稱為應變強化或者冷作硬化。這樣,雖然比例極限提高了,但是在一定程度上降低了塑性,增加了脆性。從圖a中可以看出,強化前后,曲線線性段的直線趨于平行,斜率相同,彈性模量相同。實際上,試件從A’點卸載,再加載至同一點會損失部分熱量或能量,因而加載和卸載過程的曲線并不重合,如圖b虛線所示,會存在一個機械滯回區(qū)。在選擇振動結(jié)構(gòu)或機械設(shè)備的阻尼器材料時,要重點考慮其機械滯回特性。
材料強化過程示意圖 (源于文獻[4])
冷塑變形使彈性模量稍有降低,一般降低4%~6%,這與殘余應力有關(guān)。當塑性變形量很大時,因產(chǎn)生形變使彈性模量出現(xiàn)各向異性,沿變形方向彈性模量最大。中指出,這種冷塑變形所造成的材料彈性模量變化,將會對精密零件的冷成型精度造成影響。 溫度升高,原子間間距增大,彈性模量降低。碳鋼加熱時,每升高100℃,彈性模量下降3%~5%,但在-50℃~50℃范圍內(nèi),鋼的彈性模量變化不大。 由于彈性形變是以聲速在介質(zhì)內(nèi)傳播,金屬介質(zhì)中的聲速相當大,如在鋼中為4982m/s;而普通的擺錘沖擊試驗時,絕對變形速率只有4~5.5m/s,即使高速沖擊試驗的變形速率也在10³m/s以內(nèi),在這樣的沖擊載荷下,彈性形變總能緊跟上沖擊外力的變化,因而應變率對金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響。
現(xiàn)代機器中,各種不同件的應變率范圍為10-6~106s-1。如靜拉伸試驗的應變率為10-5~10-2s-1(稱為準靜態(tài)應變速率),沖擊載荷的應變速率為102~104s-1,稱為高應變速率。此外,還有應變速率處于10-2~102s-1的中等應變速率試驗,如落錘、旋轉(zhuǎn)飛輪等。實踐表明,應變速率在10-4~10-2s-1內(nèi),材料的力學性能沒有明顯的變化,可按靜載荷處理。當應變載荷速率大于10-2s-1時,材料的力學性能將發(fā)生顯著變化,這就必須考慮到應變率增大而帶來的力學性能一系列變化。
在塑性變形階段,隨著加載速率的增加,變形的增長比較緩慢,因而當加載速率很快時,塑性變形來不及充分進行,這就表現(xiàn)為彈性極限,屈服強度等微量塑性變形抗力的提高。同時還發(fā)現(xiàn),沖擊載荷下塑性變形比較集中在某些局部區(qū)域,這反映了塑性變形是極不均勻的。這種不均勻的情況也限制了塑性變形的發(fā)展,使塑性變形不能充分進行,導致屈服強度、抗拉強度提高,且屈服強度提高得較多,抗拉強度提高得較少。
探討:沖擊載荷下塑性變形的不均勻性具體如何體現(xiàn),與應力集中相關(guān)嗎?
從以上文獻對彈性模量影響因素和影響程度的介紹可以看出,當材料處于室溫彈性階段時,其彈性模量相對比較穩(wěn)定,可以認為是常數(shù);但對某些精密元件的設(shè)計,分析中仍需要考慮其變化對產(chǎn)品精度的影響;其次還需要看到,雖然材料的彈性模量比較穩(wěn)定,但是切變模量卻有可能有大的變化,由此來看材料的泊松比可能會是改變的。一般在線彈性分析范圍內(nèi),彈性模量和泊松比是必須的參數(shù),雖然彈性模量穩(wěn)定,但若泊松比發(fā)生改變?nèi)詴绊懹嬎憔取?/span>
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