彈性模量E及剪切模量G的本質

2021-02-18 機械小眾

彈性模量E及剪切模量G，反映的是該材料中原子的本性以及原子之間的鍵合力。最簡單的反映材料彈性模量大小的參數是該材料熔點的高低。因為熔點高低與原子間的結合力直接相關。通常，熔點越高的材料，其彈性模量也會越高。

另外，彈性模量對溫度變化很敏感，溫度升高，彈性模量降低。因為溫度升高，原子間的距離也變大，原子間的結合力就減弱了。從而導致E或者G數值跟著變小。

通常，直覺認為金屬材料的剛性（抗變形能力）隨著熱處理（淬火後）硬度的提高而提高，但是，這種直覺是錯誤的，材料的彈性模量主要取決於基體材料的性質，取決於結合鍵的本性和原子間的結合力，而對材料的成分和組織不敏感。當基體金屬一定時，不能通過合金化，熱處理，冷變形等方法來改變彈性模量，所以說它是一個對組織不敏感的性能指標，這是彈性模量在性能上的主要特點(金屬的彈性模量是一個結構不敏感的性能指標。

改變材料的成分和組織會對材料的強度(如屈服強度、抗拉強度)有顯著影響，但對材料的剛度影響不大。從大的範圍說，材料的彈性模量首先決定於結合鍵。因此金屬材料的彈性模量與熱處理並沒有很明顯的關係，只與材料本身的特性有關。

共價鍵結合的材料彈性模量最高，所以象金剛石，SiC，Si3N4陶瓷材料和碳纖維的複合材料有很高的彈性模量。而主要依靠分子鍵結合的高分子，由於鍵力弱其彈性模量最低。金屬鍵有較強的鍵力，材料容易塑性變形，其彈性模量適中，但由於各種金屬原子結合力的不同，也會有很大的差別，例如鐵(鋼)的彈性模量為210GPa，是鋁(鋁合金)的三倍(EAl≈70GPa)，而鎢的彈性模量又是鐵的兩倍(Ew≈70GPa)。

而高分子和陶瓷材料的彈性模量則對結構與組織很敏感，從而可以通過改變成分和改變生產工藝來提高彈性模量。

相關焦點

  • 淺析:楊氏模量、彈性模量、剪切模量、體積模量、強度、剛度,泊松比
    剪切模量G(Shear Modulus)：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並列為材料的三項基本物理特性參數，在材料力學、彈性力學中有廣泛的應用。
  • 彈性模量的物理學本質
    其中，曲線1表示引力隨兩者間距的變化規律，曲線2表示斥力的變化規律，曲線3表示引力和斥力的合力變化規律（疊加曲線1和2）；作用能圖給出了兩原子形成的作用能（勢能）隨原子間距的變化規律。可見，當雙原子處於平衡位置時，勢能最低，兩原子最穩定；當原子被拉開或壓縮時，能量增加，一旦撤去外力，原子就要回到能量最小的平衡狀態，這一過程就是彈性變形的過程，又是最小作用量原理的一個例子。
  • 楊氏模量與彈性模量
    楊氏模量是描述材料在彈性階段拉伸狀態應力應變關係的（正應力）的物理量，彈性模量是描述彈性體（包括一維二維三維）在彈性階段應力應變關係的物理量。
  • 剪切波彈性成像普及系列之七:彈性、彈性模量和剪切波傳播速度(二)​
    剪切波彈性成像普及系列之七：彈性、彈性模量和剪切波傳播速度（一）下面的內容是上面文章的繼續：
  • 彈性模量及剛度關係
    彈性模量：材料在彈性變形階段內，正應力和對應的正應變的比值。 材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關係（即符合胡克定律），其比例係數稱為彈性模量。 「彈性模量」是描述物質彈性的一個物理量，是一個總稱，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」是包含關係。
  • 彈性模量及剛度之間的關係!
    材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關係（即符合胡克定律），其比例係數稱為彈性模量。「彈性模量」是描述物質彈性的一個物理量，是一個總稱，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」是包含關係。
  • 材料的彈性模量(與上一節剛度有關)
    了解彈性模量與剛度的區別關係（1）彈性模量的定義彈性模量：材料在彈性變形階段內，正應力和對應的正應變的比值。材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關係（即符合胡克定律），其比例係數稱為彈性模量。「彈性模量」是描述物質彈性的一個物理量，是一個總稱，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」是包含關係。一般地講，對彈性體施加一個外界作用（稱為「應力」）後，彈性體會發生形狀的改變（稱為「應變」），「彈性模量」的一般定義是：應力除以應變。
  • 發現彈性模量
    此外，係數C 就是抗彎剛度EI，他把C 稱為「絕對彈性」，認為它與材料的彈性性能，以及梁的截面形狀有關（參考鐵木辛柯《材料力學史》）。很多學者提到，歐拉在1727年發表的一篇文章裡提出了彈性模量的概念（缺文獻），可能只是有關這一概念的想法。但即便如此，歐拉相對於雅各布純粹討論微積分的應用，已經向力學邁進了一步，更重要的是指出了C 與材料彈性性能的相關性。
  • 模量入門基礎知識分享
    「模量」可以理解為是一種標準量或指標。材料的「模量」一般前面要加說明語，如彈性模量、壓縮模量、剪切模量、截面模量等。這些都是與變形有關的一種指標。單位為Pa也就是帕斯卡。但是通常在工程的使用中，因各材料楊氏模量的量值都十分的大，所以常以百萬帕斯卡（MPa）或十億帕斯卡（GPa）作為其單位。楊氏模量就是彈性模量,這是材料力學裡的一個概念。
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    與其他熱塑性彈性體(TPE)相比，在低應變條件下，TPEE模量比相同硬度的其他TPE高。當以模量為重要的設計條件時，用TPEE可縮小製品的橫截面積，減少材料用量。2、拉伸強度 與聚氨酯彈性體(TPU)相比，TPEE壓縮模量與拉伸模量要高得多，用相同硬度的TPEE和TPU製作同一零件，前者可以承受更大的負載。
  • 效應:Elasticity(彈性)
    在物理學中，彈性（希臘語ἐλαστός「可延展」）是物體抵抗變形影響或變形力的能力，當這種影響或力被消除時，它會恢復到原來的大小和形狀。當對實體物體施加足夠的力時，它們會變形。如果材料是彈性的，當這些力被消除時，物體將恢復到其初始形狀和大小。