了解什么是楊氏模量？

歡迎大家回到高效工程師頻道！在本視頻中，我們將討論楊氏模量，它是與剪切模量和體積模量一起的三個(gè)主要彈性常數(shù)之一，用于描述材料在負(fù)載下如何變形。讓我們通過拉伸測(cè)試來介紹楊氏模量。

拉伸測(cè)試是一種非常常見的機(jī)械測(cè)試，它采用測(cè)試件并沿其長(zhǎng)度拉伸它。 這是一種單軸測(cè)試，意味著它僅在一個(gè)方向上施加載荷，如此處所示。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)測(cè)量施加的載荷和試件長(zhǎng)度的變化。拉伸測(cè)試的主要輸出是應(yīng)力-應(yīng)變曲線，它描述了我們正在測(cè)試的材料在不同水平的施加應(yīng)力下會(huì)變形的程度。

當(dāng)我們對(duì)測(cè)試件（在本例中是由鋼制成）進(jìn)行拉伸測(cè)試時(shí)，觀察應(yīng)力應(yīng)變曲線如何演變。當(dāng)材料斷裂時(shí)測(cè)試結(jié)束。我們可以觀察到應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為兩個(gè)區(qū)域 - 彈性區(qū)域（曲線為線性）和塑性區(qū)域。如果施加的應(yīng)力較低并且我們保持在彈性區(qū)域，則當(dāng)施加的載荷移除時(shí)，部件的原始尺寸將完quan恢復(fù)。 對(duì)于進(jìn)入塑性區(qū)域的較大應(yīng)力，在去除所施加的載荷后，永jiu塑性變形將仍然存在。

在彈性區(qū)域，對(duì)于大多數(shù)材料來說，應(yīng)力-應(yīng)變曲線是一條直線。 這意味著應(yīng)變與施加的應(yīng)力成正比。胡克定律為我們提供了該線彈性區(qū)域中應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。應(yīng)力和應(yīng)變之比就是楊氏模量，也稱為彈性模量，我們用字母 E 表示。它的單位與應(yīng)力相同，因此美國(guó)慣用單位為 psi，SI 單位為帕斯卡。    

我們還可以將楊氏模量測(cè)量為彈性區(qū)域中斜率的梯度。楊氏模量本質(zhì)上是材料硬度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。楊氏模量越高，材料越硬，因此對(duì)于給定的施加載荷，彈性變形越小。

如果我們對(duì)幾種不同的材料進(jìn)行拉伸測(cè)試，我們會(huì)注意到每種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率都不同。不同的材料具有截然不同的楊氏模量值。對(duì)于木材等各向異性材料或碳纖維等復(fù)合材料，楊氏模量的值將取決于施加載荷的方向。該圖顯示了聚合物、金屬和陶瓷的典型楊氏模量值范圍。一般來說，陶瓷具有較高的楊氏模量值，金屬具有稍低的值，而聚合物具有低得多的值。

了解原子水平上發(fā)生的事情可以讓我們更好地理解楊氏模量。在原子水平上，材料的楊氏模量與其原子之間的鍵的強(qiáng)度密切相關(guān)。我們可以將這些原子間鍵想象成連接相鄰原子的微小彈簧。 彈性應(yīng)變是材料原子之間間距增加的結(jié)果，并且受到原子間鍵的強(qiáng)度或模型中小彈簧的剛度的抵抗。    

這與塑性變形背后的機(jī)制非常不同，塑性變形涉及原子位置的重新排列。這就是為什么當(dāng)負(fù)載移除時(shí)，彈性變形會(huì)逆轉(zhuǎn)，而塑性變形則不會(huì)。我之前提到過，聚合物的楊氏模量比陶瓷和金屬的楊氏模量小。 這是因?yàn)闆Q定材料剛度的是聚合物中較弱的分子間鍵，而不是較強(qiáng)的原子鍵。在原子水平上觀察事物也有助于解釋為什么合金金屬的楊氏模量差異往往很小。

我們以碳鋼為例。低碳鋼和高碳鋼具有截然不同的機(jī)械性能。例如，它們的屈服強(qiáng)度就非常不同。然而，它們的楊氏模量值非常相似，乍一看似乎令人驚訝。我們可以使用原子間鍵模型來解釋它。 低碳鋼的碳含量高達(dá) 0.25%，高碳鋼的碳含量高達(dá) 0.95%。在現(xiàn)有鐵原子中添加如此少量的額外碳原子不足以顯著影響對(duì)增加原子間距的總體阻力，因此低碳鋼和高碳鋼的楊氏模量非常相似，盡管存在一些差異它們的其他機(jī)械性能非常不同。

在工程方面，楊氏模量是一個(gè)至關(guān)重要的材料特性。 在工程設(shè)計(jì)中，許多不同應(yīng)用的共同目標(biāo)是保持彈性變形盡可能小，這意味著楊氏模量是材料選擇過程中需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。

以橋梁為例。如果我們用楊氏模量低的材料建造一座橋梁，當(dāng)有東西穿過它時(shí)，它會(huì)發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)，這可能不是所需的響應(yīng)。選擇高剛度材料將確保在大負(fù)載下彈性變形保持較小。對(duì)楊氏模量的簡(jiǎn)要介紹到此結(jié)束。 如果您對(duì)楊氏模量有任何有趣的事實(shí)，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論中告訴我。并敬請(qǐng)關(guān)注更多視頻！