Понимание модуля упругости: 5 факторов, влияющих на материалы

1. Взаимосвязь между элементами сплава и модулем упругости стали

Модуль упругости стали в первую очередь определяется внутренними свойствами атомов металла и структурой кристаллической решетки. Эта фундаментальная взаимосвязь обусловлена межатомными силами, которые в значительной степени зависят от электронной структуры атомов металла и их пространственного расположения в решетке.

Хотя легирующие элементы могут вызывать изменения параметров решетки стали, их влияние на модуль упругости обычно минимально для большинства обычных стальных сплавов. Такое ограниченное влияние обусловлено относительно небольшими изменениями межатомных расстояний и связей, которые происходят при типичном добавлении легирующих элементов. Следовательно, значения модуля упругости легированных и углеродистых сталей, как правило, довольно близки.

В количественном отношении разница в модуле упругости между легированными и углеродистыми сталями обычно составляет менее 12%. Эта относительно небольшая разница подчеркивает доминирование свойств, присущих железу, в определении упругого поведения стали, даже если она легирована значительным количеством других элементов.

Стоит отметить, что хотя модуль упругости остается относительно постоянным, легирующие элементы могут существенно влиять на другие механические свойства, такие как предел текучести, предел прочности и пластичность, за счет различных механизмов упрочнения (например, упрочнение твердым раствором, закалка осадком или измельчение зерна).

2. Влияние термообработки на модуль упругости

Термическая обработка обычно оказывает минимальное влияние на модуль упругости металлов. Об этом свидетельствуют несколько ключевых наблюдений:

1. Изменения размера зерна, обычно изменяемые в процессе термообработки, оказывают незначительное влияние на модуль упругости.
2. Размер и распределение вторичных фаз, которые могут быть изменены термообработкой, также не оказывают существенного влияния на модуль упругости.
3. Закалка может временно снизить модуль упругости, но последующий отпуск обычно восстанавливает его до значения, полученного в отожженном состоянии.

Однако связь между термообработкой и упругими свойствами становится более сложной, если рассматривать конкретные сплавы и механические свойства:

1. В случае пружинной стали (60Si2MnA) модуль упругости остается относительно стабильным после термической обработки (закалка + отпуск).
2. Напротив, модуль сдвига 60Si2MnA демонстрирует значительные изменения при закалке при различных температурах. Это несоответствие между упругим модулем и модулем сдвига в зависимости от термообработки имеет решающее значение для проектирования, чтобы избежать возможных ошибок.
3. Различный отклик модуля упругости (E) и модуля сдвига (G) на термообработку в 60Si2MnA можно проанализировать с помощью зависимости между этими свойствами и коэффициентом Пуассона (υ): G = E / (2(1 + υ)) Это уравнение позволяет предположить, что термообработка влияет на коэффициент Пуассона (υ) материала, учитывая наблюдаемые изменения модуля сдвига, в то время как модуль упругости остается относительно постоянным.

Важно отметить, что хотя такое поведение наблюдается в 60Si2MnA, универсальность этой зависимости для различных сплавов и процессов термообработки требует дальнейшего изучения. Инженеры и материаловеды должны учитывать эти потенциальные вариации при разработке компонентов или конструкций, которые зависят от точных упругих и сдвиговых свойств, особенно в высокопроизводительных приложениях, таких как пружины или точные приборы.

3. Влияние деформационного упрочнения на модуль упругости

Если испытуемый образец представляет собой пластичный материал, который нагружается до пластической стадии, а затем разгружается, то при возвращении материала в равновесное состояние упругая деформация исчезнет, а пластическая деформация не исчезнет, что приведет к необратимой деформации материала, как показано на рис. а.

Этот процесс называется деформационным упрочнением или закалкой в холодном состоянии.

Таким образом, несмотря на увеличение предела пропорциональности, пластичность в определенной степени снижается, а хрупкость увеличивается.

Из рисунка a видно, что до и после усиления прямая линия линейного участка кривой стремится к параллели, наклон одинаков, а модуль упругости одинаков.

На самом деле, образец потеряет некоторое количество тепла или энергии, если его выгрузить из точки а, а затем нагрузить в той же точке.

Поэтому кривые процесса загрузки и разгрузки не совпадают.

Как показано пунктирной линией на рис. b, существует зона механического гистерезиса.

При выборе демпфирующих материалов для вибрирующих конструкций или механического оборудования необходимо учитывать механические гистеретические характеристики.

Схема процесса упрочнения материала

4. Влияние холодной пластической деформации на модуль упругости

Холодная пластическая деформация вызывает небольшое снижение модуля упругости металлов, обычно в пределах от 4% до 6%. Это явление объясняется, прежде всего, развитием остаточных напряжений в микроструктуре материала в процессе деформации.

Величина пластической деформации существенно влияет на анизотропию модуля упругости. С увеличением степени деформации материал демонстрирует направленную зависимость упругих свойств. Примечательно, что модуль упругости достигает своего максимального значения вдоль основного направления деформации, что является следствием эволюции кристаллографической текстуры и формирования дислокационной субструктуры.

Это изменение модуля упругости в результате холодной пластической деформации имеет важные последствия для холодной штамповки прецизионных деталей. Вызванная анизотропия и общее снижение модуля упругости могут привести к:

1. Пружинящие колебания: Дифференциальное упругое восстановление в различных направлениях, влияющее на геометрию детали.
2. Распределение остаточных напряжений: Неоднородные состояния напряжения, которые могут вызвать деформацию с течением времени.
3. Нестабильность размеров: Возможность непредвиденной деформации на последующих этапах производства или в условиях эксплуатации.

Чтобы смягчить эти последствия и добиться высокой точности холодной штамповки, производители должны учитывать:

• Компенсация пониженного и анизотропного модуля упругости при проектировании инструмента и параметров процесса.
• Проведение процедур по снятию стресса там, где это необходимо, чтобы свести к минимуму последствия остаточного стресса.
• Использование передовых методов конечно-элементного моделирования, учитывающих изменения свойств материала, вызванные деформацией.

5. Влияние температуры на модуль упругости

С повышением температуры межатомные расстояния в кристаллической структуре материала увеличиваются, что приводит к уменьшению модуля упругости. Такое поведение в зависимости от температуры имеет решающее значение для инженерных применений, особенно в высокотемпературных средах.

Модуль упругости углеродистой стали - материала, используемого в промышленности, - демонстрирует заметную чувствительность к температуре. В частности, при повышении температуры на каждые 100°C модуль упругости углеродистой стали уменьшается примерно на 3% - 5%. Это снижение объясняется ослаблением межатомных связей и усилением атомных колебаний при более высоких температурах.

Однако важно отметить, что в диапазоне температур от -50°C до 50°C, который охватывает большинство условий эксплуатации окружающей среды, модуль упругости стали остается относительно стабильным. Эта стабильность упругих свойств в данном диапазоне способствует предсказуемой и надежной работе стальных конструкций и компонентов в нормальных условиях окружающей среды.

Зависимость модуля упругости от температуры оказывает существенное влияние на проектирование и выбор материалов в различных областях применения, таких как высокотемпературное технологическое оборудование, аэрокосмические компоненты и конструкции, подверженные экстремальным колебаниям температуры. Инженеры должны учитывать эти изменения при проектировании компонентов, которые будут работать в широком диапазоне температур, чтобы обеспечить целостность конструкции и ее работоспособность в течение всего предполагаемого срока службы.

6. Влияние скорости нагружения на модуль упругости

Поскольку упругая деформация распространяется в среде со скоростью звука, скорость звука в металлической среде довольно велика, например 4982 м/с в стали;

При обычном испытании на удар маятником абсолютная скорость деформации составляет всего 4 ~ 5,5 м/с, и даже при высокоскоростном испытании на удар скорость деформации находится в пределах 10³м/с.

При такой ударной нагрузке упругая деформация всегда следует за изменением внешней силы удара, поэтому скорость деформации не влияет на упругое поведение и модуль упругости металлических материалов.

В современных машинах скорость деформации различных деталей варьируется в пределах 10^-6 до 10⁶s^-1.

Например, скорость деформации при статическом испытании на растяжение составляет 10^-5 ~ 10^-2s^-1 (так называемая квазистатическая скорость деформации), а скорость деформации при ударной нагрузке составляет 10² ~ 10⁴s^-1Это называется высокой скоростью деформации.

Кроме того, проводятся испытания со средней скоростью деформации, при которой скорость деформации составляет 10^-2 ~ 10²s^-1Например, молоток и вращающееся маховое колесо.

Практика показывает, что когда скорость деформации находится в диапазоне 10^-4 ~ 10^-2s^-1При этом механические свойства материала не претерпевают явных изменений и могут рассматриваться как статическая нагрузка.

Когда скорость деформационной нагрузки превышает 10^-2s^-1При этом механические свойства материала значительно изменятся, что должно учитывать ряд изменений механических свойств, вызванных увеличением скорости деформации.

На стадии пластической деформации деформация медленно увеличивается с ростом скорости нагружения.

Поэтому, когда скорость нагружения очень высока, пластическая деформация не успевает полностью осуществиться, что проявляется в виде повышения предела упругости, предел текучести и другие микропластические деформации.

Также обнаружено, что пластическая деформация при ударной нагрузке сосредоточена в некоторых локальных областях, что говорит о том, что пластическая деформация крайне неравномерна.

Эта неравномерность также ограничивает развитие пластической деформации, делая пластическую деформацию неспособной быть полностью осуществленной, что приводит к улучшению предела текучести и предела прочности на разрыв, причем улучшение предела текучести больше, а улучшение предела прочности на разрыв меньше.