材料力学性能概念

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导读：杨氏模数(Young'smodulus)是材料力学中的名词，弹性材料承受正向应力时会产生正向应变，说明在压缩或拉伸材料时，材料的形变小，因各材料杨氏模量的量值都十分的大，---获得材料的真实变形量应力---应变曲线，金属材料、机械零件和构件抗冲击破坏的能力，（1）冲击强度用于评价材料的抗冲击能力或判断材料的脆性和韧性程度，（3）冲击强度根据试验设备不同可分为简支梁冲击强度、悬臂梁冲击强度.(4

杨氏模数(Young's modulus )是材料力学中的名词，弹性材料承受正向应力时会产生正向应变，定义为正向应力与正向应变的比值。公式记为 E = ζ / ε

其中，，E 表示杨氏模数，ζ 表示正向应力，ε 表示正向应变。杨氏模量大， 说明在压缩或拉伸材料时，材料的形变小。 5单位

杨氏模量的因次同压强，在SI单位制中，压强的单位为Pa也就是帕斯卡。 但是通常在工程的使用中，因各材料杨氏模量的量值都十分的大，所以常以百万帕斯卡（MPa）或十亿帕斯卡（GPa）作为其单位。 6测试方法

杨氏模量测试方法

一般有静态法和动态法。

动态法有脉冲激振法、声频共振法、声速法等。 脉冲激振法：通过合适的外力给定试样脉冲激振信号，当激振信号中的某一频率与试样的固有频率相一致时，产生共振，此时振幅最大，延时最长，这个波通过测试探针或测量话筒的传递转换成电讯号送入仪器，测出试样的固有频率，由公式 计算得出杨氏模量E。

特点：国际通用的一种常温测试方法； 信号激发、接收结构简单，测试测试准确；

准确、直观。 声频共振法：指有声频发生器发送声频电信号，由换能器转换为振动信号驱动试样，再由换能器接收并转换为电信号，分析此信号与发生器信号在示波器上形成的图形，得出试样的固有频率f，由公式E=C1·w·f得出试样的杨氏模量。 特点： --- 声频发生器、放大器等组成激发器； --- 换能器接收信号，示波器显示信号； ---李萨如图形判断试样固有频率。

缺点：--- 激发器结构复杂，必要时激发器需要与试样表面耦合，操作不方便； --- 示波器数据处理及显示单一；

--- 可能存在多个李萨如图形，易误判； --- 该方法不方便用于高温测试。

声速法：由信号发生器给出超声信号，测试信号在试样中的传播时间，得出该信号在试样中的传播速度ν，由公式E=ρ^2·ν计算得试样杨氏模量。 特点：---超声波发生器及换能器组成激发系统； --- 换能器转换信号；

--- 测试超声波在试样两平行面的传播时间差，计算声速。

缺点：--- 激发器结构复杂，必要时激发器需要与试样表面耦合，操作不方便； --- 时间差的信号处理点容易引入误差，只能得出近似杨氏模量； --- 该方法不方便用于高温测试。 静态法

静态法是指在试样上施加一恒定的弯曲应力，测定其弹性弯曲挠度，或是在试样上施加一恒定的拉伸（或压缩）应力，测定其弹性变形量；或根据应力和应变计

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算弹性模量。

特点：--- 国内采用的方法，国内外耐火行业目前还没制定相应的标准； --- 获得材料的真实变形量 应力---应变曲线。 缺点：试样用量大；准确度低；不能重复测定。 七、冲击强度

金属材料、机械零件和构件抗冲击破坏的能力。在很短时间内以较高速度作用于零件上的载荷，称冲击载荷。由冲击载荷作用而产生的应力称冲击应力。由于冲击时间极短，加上物体接触变形等因素影响，冲击强度计算不易准确。 1基本概述

（1） 冲击强度用于评价材料的抗冲击能力或判断材料的脆性和韧性程度，因此冲击强度也称冲击韧性。

（2） 冲击强度是试样在冲击破坏过程中所吸收的能量与原始横截面积之比。 （3） 冲击强度根据试验设备不同可分为简支梁冲击强度、悬臂梁冲击强度. (4) 冲击强度的测量标准主要有ISO国际标准（GB参照ISO）及美国材料ASTM标准，GB为1943-2007为最新标准，ASTM 标准为D-256标准，具体区分如下： GB: 是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（m2）上所消耗的冲击功（J），其单位为MJ/m2。

ASTM:它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力,单位宽度所消耗的功，单位为J/m。

(5)设备区分：

悬臂梁冲击方向中间有撞针，简支梁冲击方向垂直面有凹块，正面形状为一凹形摆锤。

(6)缺口区分： 缺口一般分为四种，有V型口和U型口两种，每种根据简短圆弧半径又分为两种。 (7)样条区分： GB：一般为 80*10mm 样条 以及63.5*10mm 样条 缺口为2mm，也有63.8*12.7mm样条

ATSM:一般为63.5*12.7mm 缺口剩余宽度为 10.16mm （国内有用80*10样条） (8)测试公式：

GB: a=W / (h*d) 单位KJ/m ATSM: a= W /d 单位：J/m a:冲击强度

W :冲击损失能量 h：缺口剩余宽度 d：样条厚度

因此，GB与ASTM之间不可以等同测量，但从测量公式可总结经验公式：GB数值*10.16或8（错误样条）=ASTM数值，也可以由实际测量来总结比值。 2常规计算

冲击载荷在零件中产生的冲击应力除以零件的形状、体积和局部弹塑性变形等有关外，还同与其相连接的物体有关。如与零件相连接的物体是绝对刚体，则冲击

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能全部为该零件所承受；如与零件相连接的物体刚度为某一值,则冲击能为整个体系所承担,该零件只承受冲击能的一部分。此外,冲击应力的大小,还取决于冲击能量的大小。因此，冲击载荷作用下的强度计算，比静载荷作用下的强度计算复杂得多。在设计承受冲击载荷的零件时，须引入一个动载系数（见载荷系数）后按静强度设计。动载系数也可用振动理论中求响应的方法确定。 研究零件冲击强度时，要考虑材料在冲击载荷下机械性能的改变和对零件冲击效应的大小。对于结构钢来说，当应变速率在10-6～10-21/秒时，钢的机械性能无明显变化。但在更高的应变速率下，结构钢的强度极限和屈服极限随冲击速度的增大而提高。且屈服极限比强度极限提高得更快。因此把冲击载荷当作静载荷来处理对于一般结构钢来说是偏于安全的。另一方面，冲击载荷对材料缺口的敏感性比静载荷对材料缺口的敏感性大。这时把冲击载荷当作静载荷来处理，就必须提高安全系数。 3冲击波

零件受冲击时，其冲击应力和应变不可能立即传至整个零件，而是以应力波或应变波的形式传播。根据零件和加载条件的不同，应力波表现为平面形、圆筒形、球形等，并有纵波（正应力波）和横波（切应力波）的成分。应力波（入射波）在零件中传播时，遇到自由表面会引起反射，产生反射波。纵波若为垂直于表面的压缩波，反射波则为拉伸波。两个以上的应力波相遇，将产生复杂的干涉现象。根据入射波和反射波的叠加原理，计算出某一瞬间某一截面的峰值应力。当峰值应力超过材料的强度极限，零件就产生冲击破坏。根据应力波传播原理计算冲击强度，仅限于形状简单的零件。对于形状复杂的零件或受冲击载荷的整机，可用实验方法来确定冲击强度。 4多次冲击

实际工作中的机械零件和构件，多数是承受冲击能量较小，冲击次数较多的小能量多次冲击载荷。它们的破坏是多次冲击损伤积累导致裂纹的形成和扩展的结果。材料一次冲击的破坏抗力，主要由冲击韧性来决定；但冲击次数较多的抗力，主要由材料的疲劳强度来确定。在这两者之间，当达到破坏的冲击次数增加时，冲击韧性的影响减小而疲劳强度的影响增加。根据对钢试样进行多次冲击的试验结果可得出结论：冲击韧性影响范围在100～1000次以下。 把多次冲击试验的数据应用于实际的零部件设计中，需要解决试样与实物的多次冲击强度的模拟问题，例如尺寸的大小，形状的改变，材料性能的变化等。在近似计算中，可用下述方法处理：当冲击次数小于1000次时，用一次冲击的方法计算强度；当冲击次数大于1000次时，用相似于疲劳的方法计算强度。

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