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一文了解:楊氏模量、彈性模量、剪切模量、體積模量、強(qiáng)度、剛度、泊松比

     “模量”可以理解為是一種標(biāo)準(zhǔn)量或指標(biāo)。材料的“模量”一般前面要加說(shuō)明語(yǔ),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(guān)的一種指標(biāo)。

楊氏模量(Young's Modulus)

      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(duì)于線彈性材料有公式σ(正應(yīng)力)=Eε(正應(yīng)變)成立,式中σ為正應(yīng)力,ε為正應(yīng)變,E為彈性模量,是與材料有關(guān)的常數(shù),與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。

     楊(Thomas Young, 1773-1829)在材料力學(xué)方面,研究了剪形變,認(rèn)為剪應(yīng)力是一種彈性形變。1807年,提出彈性模量的定義,為此后人稱彈性模量為楊氏模量。鋼的楊氏模量大約為2×1011m-2,銅的是1.1×1011m-2

彈性模量E(Elastic Modulus)

     彈性模量E是指材料在彈性變形范圍內(nèi)(即在比例極限內(nèi)),作用于材料上的縱向應(yīng)力與縱向應(yīng)變的比例常數(shù)。也常指材料所受應(yīng)力如拉伸,壓縮,彎曲,扭曲,剪切等)與材料產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變之比。

      彈性模量是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量,故是組織結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。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(nèi),應(yīng)力與材料相應(yīng)的應(yīng)變之比。對(duì)于有些材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變曲線不符合直線關(guān)系的,則可根據(jù)需要可以取切線彈性模量、割線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(jù)不同的受力情況,分別有相應(yīng)的拉伸彈性模量modulus of elasticity for tension (楊氏模量)、剪切彈性模量shear modulus of elasticity (剛性模量)、體積彈性模量、壓縮彈性模量等。

剪切模量G(Shear Modulus)

      剪切模量是指剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變之比。剪切模數(shù)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(shù)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(xiàng)基本物理特性參數(shù),在材料力學(xué)、彈性力學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。

      其定義為:G=τ/γ, 其中G(Mpa)為切變彈性模量;τ為剪切應(yīng)力(Mpa);γ為剪切應(yīng)變(弧度)。

體積模量K(Bulk Modulus)

     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。

    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)被稱為該物體的體積模量(modulus of volume elasticity)。如在彈性范圍內(nèi),則專稱為體積彈性模量。體積模量是一個(gè)比較穩(wěn)定的材料常數(shù)。因?yàn)樵诟飨蚓鶋合虏牧系捏w積總是變小的,故K值永為正值,單位MPa。體積模量的倒數(shù)稱為體積柔量。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(Compression Modulus)

    壓縮模量指壓應(yīng)力與壓縮應(yīng)變之比。

儲(chǔ)能模量E'

     儲(chǔ)能模量E'實(shí)質(zhì)為楊氏模量,表述材料存儲(chǔ)彈性變形能量的能力。儲(chǔ)能模量表征的是材料變形后回彈的指標(biāo)。

     儲(chǔ)能模量E'是指粘彈性材料在交變應(yīng)力作用下一個(gè)周期內(nèi)儲(chǔ)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(yīng)力與變形異步的組元,表征材料耗散變形能量的能力,體現(xiàn)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(nèi)所消耗能量的能力,通常指粘性。

切線模量(Tangent Modulus)

     切線模量就是塑性階段,屈服極限和強(qiáng)度極限之間的曲線斜率。是應(yīng)力應(yīng)變曲線上應(yīng)力對(duì)應(yīng)變的一階導(dǎo)數(shù)。其大小與應(yīng)力水平有關(guān),并非一定值。切線模量一般用于增量有限元計(jì)算。切線模量和屈服應(yīng)力的單位都是N/m2

截面模量

     截面模量是構(gòu)件截面的一個(gè)力學(xué)特性。是表示構(gòu)件截面抵抗某種變形能力的指標(biāo),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)。在有些書上,截面模量又稱為截面系數(shù)或截面抵抗矩等。

強(qiáng)度:

     強(qiáng)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)和斷裂的能力(應(yīng)力)。一般只是針對(duì)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)。可分為:屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。

      如某種材料的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度是指這種材料在單位面積上能承受的最大拉力、剪力,與材料的形狀無(wú)關(guān)。

     例如拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的比較:他們的單位都是MPa或GPa。拉伸強(qiáng)度是指材料在拉伸過(guò)程中最大可以承受的應(yīng)力,而拉伸模量是指材料在拉伸時(shí)的彈性。對(duì)于鋼材,例如45號(hào)鋼,拉伸模量在100MPa的量級(jí),一般有200~500MPa,而拉伸模量在100GPa量級(jí),一般是180~210Gpa。

剛度:

      剛度(即硬度)指某種構(gòu)件或結(jié)構(gòu)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(biāo),主要指引起單位變形時(shí)所需要的應(yīng)力。一般是針對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)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(gòu)件或結(jié)構(gòu)的截面和形狀有關(guān)。

      剛度越高,物體表現(xiàn)的越“硬”。對(duì)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(zhǎng)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。

泊松比:

      以法國(guó)數(shù)學(xué)家 Simeom Denis Poisson 為名。在材料的比例極限內(nèi),由均勻分布的縱向應(yīng)力所引起的橫向應(yīng)變與相應(yīng)的縱向應(yīng)變之比的絕對(duì)值。比如,一桿受拉伸時(shí),其軸向伸長(zhǎng)伴隨著橫向收縮(反之亦然),而橫向應(yīng)變e'與軸向應(yīng)變e之比稱為泊松比V。材料的泊松比一般通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)定。

     可以這樣記憶:空氣的泊松比為0,水的泊松比為0.5,中間的可以推出。
     主次泊松比的區(qū)別如下:
     主泊松比PRXY,指的是在單軸作用下,X方向的單位拉(或壓)應(yīng)變所引起的Y方向的壓(或拉)應(yīng)變。
     次泊松比NUXY,它代表了與PRXY成正交方向的泊松比,指的是在單軸作用下,Y方向的單位拉(或壓)應(yīng)變所引起的X方向的壓(或拉)應(yīng)變。
     PRXY與NUXY是有一定關(guān)系的:PRXY/NUXY=EX/EY
     對(duì)于正交各向異性材料,需要根據(jù)材料數(shù)據(jù)分別輸入主次泊松比,但是對(duì)于各向同性材料來(lái)說(shuō),選擇PRXY或NUXY來(lái)輸入泊松比是沒有任何區(qū)別的,只要輸入其中一個(gè)即可。簡(jiǎn)單推導(dǎo)如下:
      假如在單軸作用下:
  (1)X方向的單位拉(或壓)應(yīng)變所引起的Y方向的壓(或拉)應(yīng)變?yōu)閎;
  (2)Y方向的單位拉(或壓)應(yīng)變所引起的X方向的壓(或拉)應(yīng)變?yōu)閍;
      則根據(jù)胡克定律,得:

 σ=EX×a=EY×b
  →EX/EY=b/a
  又 ∵ PRXY/NUXY=b/a
  ∴ PRXY/NUXY=EX/EY

來(lái)源:橡膠技術(shù)李秀權(quán)工作室;作者:李星龍

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