了解什么是杨氏模量？

欢迎大家回到高效工程师频道！在本视频中，我们将讨论杨氏模量，它是与剪切模量和体积模量一起的三个主要弹性常数之一，用于描述材料在负载下如何变形。让我们通过拉伸测试来介绍杨氏模量。

拉伸测试是一种非常常见的机械测试，它采用测试件并沿其长度拉伸它。 这是一种单轴测试，意味着它仅在一个方向上施加载荷，如此处所示。试验过程中，试验机测量施加的载荷和试件长度的变化。拉伸测试的主要输出是应力-应变曲线，它描述了我们正在测试的材料在不同水平的施加应力下会变形的程度。

当我们对测试件（在本例中是由钢制成）进行拉伸测试时，观察应力应变曲线如何演变。当材料断裂时测试结束。我们可以观察到应力-应变曲线分为两个区域 - 弹性区域（曲线为线性）和塑性区域。如果施加的应力较低并且我们保持在弹性区域，则当施加的载荷移除时，部件的原始尺寸将完quan恢复。 对于进入塑性区域的较大应力，在去除所施加的载荷后，永jiu塑性变形将仍然存在。

在弹性区域，对于大多数材料来说，应力-应变曲线是一条直线。 这意味着应变与施加的应力成正比。胡克定律为我们提供了该线弹性区域中应力和应变之间的关系。应力和应变之比就是杨氏模量，也称为弹性模量，我们用字母 E 表示。它的单位与应力相同，因此美国惯用单位为 psi，SI 单位为帕斯卡。    

我们还可以将杨氏模量测量为弹性区域中斜率的梯度。杨氏模量本质上是材料硬度的衡量标准。杨氏模量越高，材料越硬，因此对于给定的施加载荷，弹性变形越小。

如果我们对几种不同的材料进行拉伸测试，我们会注意到每种材料的应力-应变曲线的斜率都不同。不同的材料具有截然不同的杨氏模量值。对于木材等各向异性材料或碳纤维等复合材料，杨氏模量的值将取决于施加载荷的方向。该图显示了聚合物、金属和陶瓷的典型杨氏模量值范围。一般来说，陶瓷具有较高的杨氏模量值，金属具有稍低的值，而聚合物具有低得多的值。

了解原子水平上发生的事情可以让我们更好地理解杨氏模量。在原子水平上，材料的杨氏模量与其原子之间的键的强度密切相关。我们可以将这些原子间键想象成连接相邻原子的微小弹簧。 弹性应变是材料原子之间间距增加的结果，并且受到原子间键的强度或模型中小弹簧的刚度的抵抗。    

这与塑性变形背后的机制非常不同，塑性变形涉及原子位置的重新排列。这就是为什么当负载移除时，弹性变形会逆转，而塑性变形则不会。我之前提到过，聚合物的杨氏模量比陶瓷和金属的杨氏模量小。 这是因为决定材料刚度的是聚合物中较弱的分子间键，而不是较强的原子键。在原子水平上观察事物也有助于解释为什么合金金属的杨氏模量差异往往很小。

我们以碳钢为例。低碳钢和高碳钢具有截然不同的机械性能。例如，它们的屈服强度就非常不同。然而，它们的杨氏模量值非常相似，乍一看似乎令人惊讶。我们可以使用原子间键模型来解释它。 低碳钢的碳含量高达 0.25%，高碳钢的碳含量高达 0.95%。在现有铁原子中添加如此少量的额外碳原子不足以显着影响对增加原子间距的总体阻力，因此低碳钢和高碳钢的杨氏模量非常相似，尽管存在一些差异它们的其他机械性能非常不同。

在工程方面，杨氏模量是一个至关重要的材料特性。 在工程设计中，许多不同应用的共同目标是保持弹性变形尽可能小，这意味着杨氏模量是材料选择过程中需要考虑的关键参数。

以桥梁为例。如果我们用杨氏模量低的材料建造一座桥梁，当有东西穿过它时，它会发生很大的偏转，这可能不是所需的响应。选择高刚度材料将确保在大负载下弹性变形保持较小。对杨氏模量的简要介绍到此结束。 如果您对杨氏模量有任何有趣的事实，请在评论中告诉我。并敬请关注更多视频！