歡迎大家回到高效工程師頻道！在本視頻中，我們將討論楊氏模量，它是與剪切模量和體積模量一起的三個主要彈性常數之一，用于描述材料在負載下如何變形。讓我們通過拉伸測試來介紹楊氏模量。

拉伸測試是一種非常常見的機械測試，它采用測試件并沿其長度拉伸它。 這是一種單軸測試，意味著它僅在一個方向上施加載荷，如此處所示。試驗過程中，試驗機測量施加的載荷和試件長度的變化。拉伸測試的主要輸出是應力-應變曲線，它描述了我們正在測試的材料在不同水平的施加應力下會變形的程度。

當我們對測試件（在本例中是由鋼制成）進行拉伸測試時，觀察應力應變曲線如何演變。當材料斷裂時測試結束。我們可以觀察到應力-應變曲線分為兩個區域 - 彈性區域（曲線為線性）和塑性區域。如果施加的應力較低并且我們保持在彈性區域，則當施加的載荷移除時，部件的原始尺寸將完quan恢復。 對于進入塑性區域的較大應力，在去除所施加的載荷后，永jiu塑性變形將仍然存在。

在彈性區域，對于大多數材料來說，應力-應變曲線是一條直線。 這意味著應變與施加的應力成正比。胡克定律為我們提供了該線彈性區域中應力和應變之間的關系。應力和應變之比就是楊氏模量，也稱為彈性模量，我們用字母 E 表示。它的單位與應力相同，因此美國慣用單位為 psi，SI 單位為帕斯卡。    

我們還可以將楊氏模量測量為彈性區域中斜率的梯度。楊氏模量本質上是材料硬度的衡量標準。楊氏模量越高，材料越硬，因此對于給定的施加載荷，彈性變形越小。

如果我們對幾種不同的材料進行拉伸測試，我們會注意到每種材料的應力-應變曲線的斜率都不同。不同的材料具有截然不同的楊氏模量值。對于木材等各向異性材料或碳纖維等復合材料，楊氏模量的值將取決于施加載荷的方向。該圖顯示了聚合物、金屬和陶瓷的典型楊氏模量值范圍。一般來說，陶瓷具有較高的楊氏模量值，金屬具有稍低的值，而聚合物具有低得多的值。

了解原子水平上發生的事情可以讓我們更好地理解楊氏模量。在原子水平上，材料的楊氏模量與其原子之間的鍵的強度密切相關。我們可以將這些原子間鍵想象成連接相鄰原子的微小彈簧。 彈性應變是材料原子之間間距增加的結果，并且受到原子間鍵的強度或模型中小彈簧的剛度的抵抗。    

這與塑性變形背后的機制非常不同，塑性變形涉及原子位置的重新排列。這就是為什么當負載移除時，彈性變形會逆轉，而塑性變形則不會。我之前提到過，聚合物的楊氏模量比陶瓷和金屬的楊氏模量小。 這是因為決定材料剛度的是聚合物中較弱的分子間鍵，而不是較強的原子鍵。在原子水平上觀察事物也有助于解釋為什么合金金屬的楊氏模量差異往往很小。

我們以碳鋼為例。低碳鋼和高碳鋼具有截然不同的機械性能。例如，它們的屈服強度就非常不同。然而，它們的楊氏模量值非常相似，乍一看似乎令人驚訝。我們可以使用原子間鍵模型來解釋它。 低碳鋼的碳含量高達 0.25%，高碳鋼的碳含量高達 0.95%。在現有鐵原子中添加如此少量的額外碳原子不足以顯著影響對增加原子間距的總體阻力，因此低碳鋼和高碳鋼的楊氏模量非常相似，盡管存在一些差異它們的其他機械性能非常不同。

在工程方面，楊氏模量是一個至關重要的材料特性。 在工程設計中，許多不同應用的共同目標是保持彈性變形盡可能小，這意味著楊氏模量是材料選擇過程中需要考慮的關鍵參數。

以橋梁為例。如果我們用楊氏模量低的材料建造一座橋梁，當有東西穿過它時，它會發生很大的偏轉，這可能不是所需的響應。選擇高剛度材料將確保在大負載下彈性變形保持較小。對楊氏模量的簡要介紹到此結束。 如果您對楊氏模量有任何有趣的事實，請在評論中告訴我。并敬請關注更多視頻！