材料模量的單位和應力的單位都是MPa,差別在哪裡?

2021-01-07 材料的基因

在實際的工程應用中,我們經常會遇到「材料模量」和「應力」,而且他們的單位都是MPa。它們之間有何區別和聯繫呢?

模量的種類有很多種,楊氏模量、彈性模量、彎曲模量、體積模量等,他們的定義大多都是應力和應變的比率。也就是應力應變中彈性段的斜率。由於是斜率,因此也可以把模量理解為彈性應變100%時候的應力大小。但是實際上很多材料的應變沒有到達100%時就斷裂了,或者即使到達了100%的形變,此時也已經不是彈性形變而變成了塑性形變了。

模量是指材料在受力狀態下應力與應變之比。模量的倒數稱為柔量,用J表示。意義:彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標,其值越大,使材料發生一定彈性變形的應力也越大,即材料剛度越大,在一定應力作用下,發生彈性變形越小。

再來看應力。在連續介質力學裡,應力定義為單位面積所承受的作用力。應力的這個定義與壓強非常像,單位面積承受的壓力是壓強。應力實際上承受的主要是內力。內力的產生原因很多,內力顧名思義是材料中間的應力。下圖是在一個可變形連續物質內部的各種可能應力,圖片來自Wiki。

應力也有不同種類,正應力、剪應力、拉應力、壓應力等。同種材料的不同製件由於結構不同,應力集中的程度也會不一樣。截面尺寸改變而引起應力的局部增大,這種現象稱為應力集中。對於組織均勻的脆性材料,應力集中將大大降低構件的強度,在設計製件的時候應特別注意。對於一些透明材料,可以利用光彈性測量製件的應力分布。

光彈性(英語:Photoelasticity)是某些透明材料(主要是塑料、玻璃、環氧樹脂等非晶體)在承受載荷出現應變的狀態下由各向同性變成各向異性並展現出對光的雙折射的現象。基於這種材料性質發展出的描繪物體應力應變分布的試驗物理學方法稱為光測彈性學。

有些塑料製品對殘餘應力的要求嚴格,比如光碟。光碟的殘餘應力較高,會導致力學和其他性能表現降低。

通過光彈性技術,可以檢測透明件的應力分布。非常的直觀,顏色變化越劇烈的地方,應力越集中。例如下圖的光碟盒,在一些拐角位置的應力比較集中。

既然知道了殘餘應力,就有解決殘餘應力的方法,現在消除殘餘應力的方法有很多。比如自然時效法、熱時效法和振動時效等。自然時效法消除殘餘應力的例子實際上我們在生活中就有遇到,例如有些製件經過長時間放置會發生變形。熱時效法的應用非常廣泛,一般小件有退火處理,即放入烘箱中加熱,待其緩慢釋放應力,尺寸穩定後再進行裝配。振動時效法可以用來消除焊接產生的殘餘應力。有時候殘餘應力的釋放會伴隨著製件的翹曲和變形甚至開裂!因此如何在製造過程中就降低殘餘應力是結構設計人員和生產製造人員必須考慮的!

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