材料拉伸試驗彈性模量的詮釋

　　彈性模量是工程材料重要的性能參數，從宏觀(guān)角度來(lái)說(shuō)，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀(guān)角度來(lái)說(shuō)，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。凡影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結構、化學(xué)成分、微觀(guān)組織、溫度等。因合金成分不同、熱處理狀態(tài)不同、冷塑性變形不同等，金屬材料的楊氏模量值會(huì )有5%或者更大的波動(dòng)。但是總體來(lái)說(shuō)，金屬材料的彈性模量是一個(gè)對組織不敏感的力學(xué)性能指標，合金化、熱處理（纖維組織）、冷塑性變形等對彈性模量的影響較小，溫度、加載速率等外在因素對其影響也不大，所以一般工程應用中都把彈性模量作為常數。
　　
　　楊氏模量就是彈性模量,這是材料力學(xué)里的一個(gè)概念。對于線(xiàn)彈性材料有公式σ(正應力)＝Eε(正應變)成立，式中σ為正應力，ε為正應變，E為彈性模量，是與材料有關(guān)的常數，與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。楊（ThomasYoung1773～1829）在材料力學(xué)方面，研究了剪形變，認為剪應力是一種彈性形變。1807年，提出彈性模量的定義，為此后人稱(chēng)彈性模量為楊氏模量。鋼的楊氏模量大約為2×1011N·m-2，銅的是1.1×1011N·m-2。
　　
　　彈性模量E是指材料在彈性變形范圍內(即在比例極限內)，作用于材料上的縱向應力與縱向應變的比例常數。也常指材料所受應力如拉伸，壓縮，彎曲，扭曲，剪切等）與材料產(chǎn)生的相應應變之比。
　　
　　彈性模量是表征晶體中原子間結合力強弱的物理量，故是組織結構不敏感參數。在工程上，彈性模量則是材料剛度的度量，是物體變形難易程度的表征。
　　
　　彈性模量E在比例極限內，應力與材料相應的應變之比。對于有些材料在彈性范圍內應力-應變曲線(xiàn)不符合直線(xiàn)關(guān)系的，則可根據需要可以取切線(xiàn)彈性模量、割線(xiàn)彈性模量等人為定義的辦法來(lái)代替它的彈性模量值。根據不同的受力情況，分別有相應的拉伸彈性模量modulusofelasticityfortension(楊氏模量)、剪切彈性模量shearmodulusofelasticity(剛性模量)、體積彈性模量、壓縮彈性模量等。
　　
　　剪切模量G(ShearModulus)：
　　
　　剪切模量是指剪切應力與剪切應變之比。剪切模數G=剪切彈性模量G=切變彈性模量G切變彈性模量G，材料的基本物理特性參數之一，與楊氏(壓縮、拉伸)彈性模量E、泊桑比ν并列為材料的三項基本物理特性參數，在材料力學(xué)、彈性力學(xué)中有廣泛的應用。
　　
　　其定義為：G=τ/γ，其中G(Mpa)為切變彈性模量；
　　
　　τ為剪切應力(Mpa)；
　　
　　γ為剪切應變(弧度)。
　　
　　體積模量K(BulkModulus)：
　　
　　體積模量可描述均質(zhì)各向同性固體的彈性，可表示為單位面積的力，表示不可壓縮性。公式如下K＝E/(3×(1-2×v)),其中E為彈性模量，v為泊松比。具體可參考大學(xué)里的任一本彈性力學(xué)書(shū)。
　　
　　性質(zhì)：物體在p0的壓力下體積為V0；若壓力增加(p0→p0+dP)，則體積減小為
　　
　　(V0-dV)。則K=(p0+dP)/(V0-dV)被稱(chēng)為該物體的體積模量(modulusofvolume
　　
　　elasticity)。如在彈性范圍內，則專(zhuān)稱(chēng)為體積彈性模量。體積模量是一個(gè)比較穩定的材料常數。因為在各向均壓下材料的體積總是變小的，故K值永為正值，單位MPa。體積模量的倒數稱(chēng)為體積柔量。體積模量和拉伸模量、泊松比之間有關(guān)系：E=3K(1-2μ)。
　　
　　壓縮模量（CompressionModulus）：
　　
　　壓縮模量指壓應力與壓縮應變之比。
　　
　　儲能模量E'：
　　
　　儲能模量E'實(shí)質(zhì)為楊氏模量，表述材料存儲彈性變形能量的能力。儲能模量表征的是材料變形后回彈的指標。
　　
　　儲能模量E'是指粘彈性材料在交變應力作用下一個(gè)周期內儲存能量的能力，通常指彈性；
　　
　　耗能模量E''：
　　
　　耗能模量E''是模量中應力與變形異步的組元；表征材料耗散變形能量的能力,體現了材料的粘性本質(zhì)。
　　
　　耗能模量E''指的是在一個(gè)變化周期內所消耗能量的能力。通常指粘性
　　
　　切線(xiàn)模量（TangentModulus）：
　　
　　切線(xiàn)模量就是塑性階段，屈服極限和強度極限之間的曲線(xiàn)斜率。是應力應變曲線(xiàn)上應力對應變的一階導數。其大小與應力水平有關(guān)，并非一定值。切線(xiàn)模量一般用于增量有限元計算。切線(xiàn)模量和屈服應力的單位都是N/m2
　　
　　截面模量：
　　
　　截面模量是構件截面的一個(gè)力學(xué)特性。是表示構件截面抵抗某種變形能力的指標，如抗彎截面模量、抗扭截面模量等。它只與截面的形狀及中和軸的位置有關(guān)，而與材料本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)。在有些書(shū)上，截面模量又稱(chēng)為截面系數或截面抵抗矩等。
　　
　　強度:
　　
　　強度是指某種材料抵抗破壞的能力，即材料抵抗變形(彈性\塑性)和斷列的能力(應力)。一般只是針對材料而言的。它的大小與材料本身的性質(zhì)及受力形式有關(guān)?？煞譃椋呵姸?、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。
　　
　　如某種材料的抗拉強度、抗剪強度是指這種材料在單位面積上能承受的zui大拉力、剪力，與材料的形狀無(wú)關(guān)。
　　
　　例如拉伸強度和拉伸模量的比較：他們的單位都是MPa或GPa。拉伸強度是指材料在拉伸過(guò)程中zui大可以承受的應力，而拉伸模量是指材料在拉伸時(shí)的彈性。對于鋼材，例如45號鋼，拉伸模量在100MPa的量級，一般有200－500MPa，而拉伸模量在100GPa量級，一般是180－210Gpa。
　　
　　剛度:
　　
　　剛度(即硬度)指某種構件或結構抵抗變形的能力，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標，主要指引起單位變形時(shí)所需要的應力。一般是針對構件或結構而言的。它的大小不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與構件或結構的截面和形狀有關(guān)。
　　
　　剛度越高，物體表現的越“硬”。對不同的東西來(lái)說(shuō)，剛度的表示方法不同，比如靜態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)剛度、環(huán)剛度等。一般來(lái)說(shuō)，剛度的單位是牛頓/米，或者牛頓/毫米，表示產(chǎn)生單位長(cháng)度形變所需要施加的力。
　　
　　法向剛度、剪切剛度的單位同樣是N/m或N/mm，差別在于力的方向不同
　　
　　一般用彈性模量的大小E來(lái)表示.而E的大小一般僅與原子間作用力有關(guān)，與組織狀態(tài)關(guān)系不大。通常鋼和鑄鐵的彈性模量差別很小，即它們的剛性幾乎一樣，但它們的強度差別卻很大。
　　
　　“彈性模量”是描述物質(zhì)彈性的一個(gè)物理量，是一個(gè)總稱(chēng)，包括“楊氏模量”、“剪切模量”、“體積模量”等。所以，“彈性模量”和“體積模量”是包含關(guān)系。
　　
　　一般地講，對彈性體施加一個(gè)外界作用（稱(chēng)為“應力”）后，彈性體會(huì )發(fā)生形狀的改變（稱(chēng)為“應變”），“彈性模量”的一般定義是：應力除以應變。例如：
　　
　　線(xiàn)應變——
　　
　　對一根細桿施加一個(gè)拉力F，這個(gè)拉力除以桿的截面積S，稱(chēng)為“線(xiàn)應力”，桿的伸長(cháng)量dL除以原長(cháng)L，稱(chēng)為“線(xiàn)應變”。線(xiàn)應力除以線(xiàn)應變就等于楊氏模量E:F/S=E(dL/L)
　　
　　剪切應變——
　　
　　對一塊彈性體施加一個(gè)側向的力f（通常是摩擦力），彈性體會(huì )由方形變成菱形，這個(gè)形變的角度a稱(chēng)為“剪切應變”，相應的力f除以受力面積S稱(chēng)為“剪切應力”。剪切應力除以剪切應變就等于剪切模量G:f/S=G*a
　　
　　體積應變——
　　
　　對彈性體施加一個(gè)整體的壓強p，這個(gè)壓強稱(chēng)為“體積應力”，彈性體的體積減少量(-dV)除以原來(lái)的體積V稱(chēng)為“體積應變”，體積應力除以體積應變就等于體積模量:p=K(-dV/V)
　　
　　注：液體只有體積模量，其他彈性模量都為零，所以就用彈性模量代指體積模量。
　　
　　一般彈性體的應變都是非常小的，即，體積的改變量和原來(lái)的體積相比，是一個(gè)很小的數。在這種情況下，體積相對改變量和密度相對改變量?jì)H僅正負相反，大小是相同的，例如：體積減少百分之0.01，密度就增加百分之0.01。
　　
　　體積模量并不是負值（從前面定義式中可以看出），也并不是氣體才有體積模量，一切固體、液體、氣體都有體積模量，倒是液體和氣體沒(méi)有楊氏模量和剪切模量。