影响弹性技术常数的因素探究

1.温度的影响

影响金属原子间结合力的因素都会对弹性模量造成影响。对于多数金属，随着温度的升高原子的热运动加剧，原子间的距离增大，导致原子间相互作用力减弱。所以，弹性模量随温度升高近似地呈直线降低，如图9-6所示。

图9-6 金属弹性模量与温度的关系（T_m为熔点）

2.相变的影响

材料内部的相变（如多晶型转变、有序化转变、铁磁性转变以及超导态转变等）都会对弹性模量产生比较明显的影响，其中有些转变的影响在比较宽的温度范围里发生，而另一些转变则在比较窄的温度范围里引起弹性模量的突变，这是由于原子在晶体学上的重构和磁的重构所造成的。

图9-7 相变对弹性模量-温度曲线的影响

当金属发生相变时，弹性模量与温度的关系则发生异常的变化。Fe、Co、Ni的多晶型转变与铁磁转变对弹性模量的影响如图9-7所示。例如，随着温度的升高铁在770℃时由铁磁性变为顺磁性，弹性模量降低；在912℃时由体心α相变为面心γ相，点阵常数减小，弹性模量增加。钴也有类似的情况，当温度升高到480℃时从六方晶系转变为立方晶系，弹性模量增大。温度降低时，同样在400℃左右观察到模量的跳跃。这种逆转变的温差是由于过冷所致。

在居里温度以下，镍的弹性模量与温度的关系和磁化状态有关；退火的镍在190～200℃前随温度的升高弹性模量剧烈降低，以后随温度的升高而增加，经居里温度后又重新下降。而磁化到饱和状态的镍，此种现象并不明显。关于这种反常现象可作如下解释：铁磁性金属在测量弹性模量时，除产生正常的弹性伸长外，还由于应力的作用感生磁化，同时产生磁致伸缩效应，即产生补充伸长。因此，它们的弹性模量比正常的模量低。

3.冷加工的影响

金属材料在冷加工后发生加工硬化。体心立方的铁在加工硬化的影响下弹性模量减小。而面心立方晶格结构的铝、镍、铜等金属的弹性模量值亦因加工硬化的影响而降低，但在强烈的冷加工后模量值反而增大，一般认为这是冷加工织构的影响所致。

图9-8 冷轧铜片弹性模量与轧向的关系

人们对冷轧铜片的弹性模量进行了测定，所获得结果如图9-8所示。由于拉拔在铜丝中产生了[111]晶向的织构，它使得该方向上的弹性模量E增加，切变模量G减少。织构对体心立方金属弹性模量的影响与面心立方金属大体相似。钢的横向收缩行为，因方向不同而差异极大，只有在特殊情况下才能制出各向同性的材料。形变织构通常不能通过退火处理来消除，而且退火时一般都要形成新的退火织构，也会引起弹性模量的显著变化。例如，退火后的银杆弹性模量将从退火前的7.13×10⁴N/mm²增加到9.6×10⁴N/mm²，增加了35%。

4.择优取向的影响

金属材料大多是多晶体，在加工过程中由于织构的形成产生了晶体的择优取向，从而表现出弹性的各向异性。一些常见晶体结构的金属中所形成形变织构的晶向如表9-2所示。

表9-2 晶体中的择优取向

工业用纯金属的弹性常数与择优取向间关系如表9-3所示。

表9-3 弹性常数与择优取向间的关系

金属及合金无择优取向时的弹性常数如表9-4所示。

表9-4 金属及合金无择优取向时的弹性常数(www.xing528.com)

（续）

5.合金成分与组织的影响

一般加入少量的合金元素和进行不同的热处理工艺对弹性模量的影响并不明显，但如果加入大量的合金元素则会使弹性模量产生明显的变化。

在有限互溶的情况下形成固溶体合金时，根据梅龙（Melean）的观点，溶质对合金弹性模量E的影响有以下三个方面：

1）由于溶质原子的加入造成点阵畸变，从而引起合金弹性模量的降低。

2）溶质原子可能阻碍位错弯曲和运动使弹性模量增大。

3）当溶质和溶剂原子间结合力比溶剂原子间结合力大时，会引起合金弹性模量的增加，反之合金弹性模量降低。所以，合金元素可能使弹性模量E增大，也可能使E减小，视具体情况而定。

一般由点阵类型相同、价电子数和原子半径相近的两种金属组成无限固溶体时，弹性模量和溶质浓度之间呈直线或近似于直线关系。但溶质是过渡族元素时，弹性模量与溶质原子浓度之间将明显偏离直线关系，而呈向上凸起的曲线关系。

两种金属组成有限固溶体时，若两个组元的原子价不相同，则溶质原子的溶入必然要引起电子浓度的变化，从而改变了参与键合的电子数目，导致弹性模量产生相应的变化。其弹性模量的变化可表示为：

ΔE=±cr_s-ar_s（ΔZ）² （9-9）

式中 ΔE——弹性模量的变化值，单位为N/mm²；

c、a——常数，溶质原子半径大于溶剂时c为负；

r_s——溶质原子的浓度（%）；

ΔZ——溶质和溶剂金属的原子价差。

式（9-9）中第一项表示由于两组元原子半径不同所引起的变化；第二项是由于原子价不同所引起的变化。弹性模量的变化值ΔE与溶质原子的浓度成正比，并且其原子价差ΔZ越大，ΔE的变化越剧烈。

6.磁场的影响

对铁磁性材料来说，试样在退磁状态和磁化到饱和状态下的应力-应变曲线有很大的差别，这表明铁磁材料在零磁场下有较小的弹性模量，而在强磁场下有较大的弹性模量。

这是因为在拉应力作用下，磁畴壁将产生位移和转动，内磁场变化而引起了磁致伸缩使得在原有的拉应力直接产生的弹性延伸之外还产生了附加的应变，随着应力的增加，各磁畴均被迫取与拉应力相同的方向，使附加的应变达到饱和。在强磁作用下，所有磁畴已依外磁场方向排列整齐，施加应力后不再引发附加的磁畴运动，此时与外应力所对应的应变只有弹性延伸。一般以样品在退磁态下的弹性模量和磁饱和态下的弹性模量倒数的差值来衡量磁场作用下材料的弹性模量的大小。

7.变形速度和弛豫过程的影响

应力或应变弛豫过程对弹性的影响随弛豫机制的不同而不同，但也与速度有关。若形变速度无穷大或样品振动的频率无限高时，弛豫来不及发生。反之，若速度或频率趋于零时，弛豫过程的进行就很充分。在静态测量中得到弹性模量接近于等温模量，而在动态法中测得的模量接近于绝热模量。