材料力学笔记之——影响材料弹性模量的因素
1. 合金元素与钢材弹性模量的关系原子间作用力决定于金属原子本身和晶格类型，故弹性模量也主要取决于金属原子本性与晶格类型。溶质元素虽可以改变合金的晶格常数，但对于常用金属材料而言，合金元素对其晶格常数的改变不大，因而对弹性模量影响小。合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近，差值不大于12%[10。
2. 热处理对弹性模量的影响
热处理对弹性模量的影响不大，如晶粒大小对弹性模量无影响；第二相大小和分布对弹性模量影响也很小；淬火后弹性模量虽有所下降，但回火后又恢复到退火前的状态值[10。但是，弹簧钢 (60Si2MnA) 在经过热处理（淬火+回火）后，弹性模量变化不大，而不同的温度回火后，切变模量变化较明显，具体可参见文献[11,12。设计中若对此不予以考虑，可能会造成一定误差。
对于60Si2MnA材料热处理虽然对E的影响很小，但是G却有明显变化，根据剪切模量、弹性模量及泊松比的关系：G=E/(2(1+υ))，可以得出是热处理会影响υ 值。但是，这种关系是否具有普适性还有待探讨。
3. 应变强化对弹性模量的影响
若试件为塑性材料，被加载至塑性阶段后再卸载，则当材料返回平衡状态时，弹性应变消失，而塑性应变不会消失，结果材料出现永久变形，如图a所示。该过程称为应变强化或者冷作硬化。这样，虽然比例极限提高了，但是在一定程度上降低了塑性，增加了脆性[1-2,4。从图a中可以看出，强化前后，曲线线性段的直线趋于平行，斜率相同，弹性模量相同。实际上，试件从A’点卸载，再加载至同一点会损失部分热量或能量，因而加载和卸载过程的曲线并不重合，如图b虚线所示，会存在一个机械滞回区。在选择振动结构或机械设备的阻尼器材料时，要重点考虑其机械滞回特性[4。
材料强化过程示意图 (源于文献)
4. 冷塑变形对弹性模量的影响
冷塑变形使弹性模量稍有降低，一般降低4%~6%，这与残余应力有关。当塑性变形量很大时，因产生形变使弹性模量出现各向异性，沿变形方向弹性模量最大[10。文献[13中指出，这种冷塑变形所造成的材料弹性模量变化，将会对精密零件的冷成型精度造成影响。
5. 温度对弹性模量的影响
温度升高，原子间间距增大，弹性模量降低。碳钢加热时，每升高100℃，弹性模量下降3%~5%，但在-50℃~50℃范围内，钢的弹性模量变化不大[10。
6. 加载速率对弹性模量的影响
文献[9中指出：由于弹性形变是以声速在介质内传播，金属介质中的声速相当大，如在钢中为4982m/s；而普通的摆锤冲击试验时，绝对变形速率只有4~5.5m/s，即使高速冲击试验的变形速率也在103m/s以内，在这样的冲击载荷下，弹性形变总能紧跟上冲击外力的变化，因而应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。
现代机器中，各种不同件的应变率范围为10-6~106s-1。如静拉伸试验的应变率为10-5~10-2s-1（称为准静态应变速率)，冲击载荷的应变速率为102~104s-1，称为高应变速率。此外，还有应变速率处于10-2~102s-1的中等应变速率试验，如落锤、旋转飞轮等。实践表明，应变速率在10-4~10-2s-1内，材料的力学性能没有明显的变化，可按静载荷处理。当应变载荷速率大于10-2s-1时，材料的力学性能将发生显著变化，这就必须考虑到应变率增大而带来的力学性能一系列变化。
在塑性变形阶段，随着加载速率的增加，变形的增长比较缓慢，因而当加载速率很快时，塑性变形来不及充分进行，这就表现为弹性极限，屈服强度等微量塑性变形抗力的提高。同时还发现，冲击载荷下塑性变形比较集中在某些局部区域，这反映了塑性变形是极不均匀的。这种不均匀的情况也限制了塑性变形的发展，使塑性变形不能充分进行，导致屈服强度、抗拉强度提高，且屈服强度提高得较多，抗拉强度提高得较少。
探讨：冲击载荷下塑性变形的不均匀性具体如何体现，与应力集中相关吗？
从以上文献对弹性模量影响因素和影响程度的介绍可以看出，当材料处于室温弹性阶段时，其弹性模量相对比较稳定，可以认为是常数；但对某些精密元件的设计，分析中仍需要考虑其变化对产品精度的影响；其次还需要看到，虽然材料的弹性模量比较稳定，但是切变模量却有可能有大的变化，由此来看材料的泊松比可能会是改变的。一般在线弹性分析范围内，弹性模量和泊松比是必须的参数，虽然弹性模量稳定，但若泊松比发生改变仍会影响计算精度。
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来源：产品设计研习社微信公众号（ID：gh_ecd074a00e00），作者：探路者510。
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