材料的弹性行为

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引言

宇宙中的所有物质都由称为分子的微小粒子组成。它们之间存在着某种吸引力。分子之间存在着分子间引力。根据分子间的吸引力，物质可分为五类：固体、液体、气体、等离子体和玻色-爱因斯坦凝聚态。固体是分子间距离非常小且紧密结合在一起的物质。液体是分子间距离较小且结合不如固体紧密的物质。

什么是弹性？

当力作用于物体时，物体就会变形。如果在力去除后物体恢复其原始形状，则该力称为弹性力。因为它使物体的尺寸发生变化，所以它被称为变形力。这种现象称为弹性。当橡胶受到拉力时，橡胶的长度和厚度都会发生变化。去除力后，它恢复到原来的尺寸。这种特性称为弹性。

材料的弹性特性

• 强度是指固体在承受应力时保持不变的能力。它也具有抗变形能力。如果物体对变形力的抵抗力较小，则它很容易变形。

• 当力作用于物体时，物体的形状会发生变化。如果在力去除后恢复其形状，则称为弹性。

• 如果物体在去除变形力后不能恢复其原始形状，则称为塑性。

• 固体材料拉伸成薄片、细丝或薄板的能力称为延展性。

• 硬度是材料避免划伤、切割和穿透的能力。

• 由于固体材料分子间的距离较小，它们之间的力非常强。

• 固体材料中的分子彼此非常靠近。由于它们之间的距离很小，固体材料是不可压缩的。

• 由于距离很小，它们很坚硬和刚性。

• 固体可以导电。

• 化学变化会改变物质的组成。

• 韧性是塑性和强度的综合形式。

胡克定律

在弹性极限内，材料中产生的应变与施加的应力成正比。

$$\mathrm{应力\propto 应变}$$

这被称为胡克定律。

应力 - 作用于物体并改变物体尺寸的力称为应力。

$$\mathrm{应力=\frac{力}{面积}}$$

应力的单位是 $\mathrm{Nm^{-2}}$。

应变 - 当应力作用于物体时，物体就会变形。尺寸变化与其原始尺寸之比称为应变。

$$\mathrm{应变=\frac{尺寸变化}{原始尺寸}}$$

它没有单位。

弹性模量

弹性模量表示应力与应变之间的关系。施加于材料的应力与因施加应力而产生的应变之比是一个常数。该常数称为弹性模量。

$$\mathrm{\frac{应力}{应变}=k}$$

k - 弹性模量或弹性常数。

弹性模量有三种类型：杨氏模量、剪切模量和体积模量。

杨氏模量

弹性模量表示应力与应变之间的关系。杨氏模量是纵向应力与线应变之比。当力垂直作用于物体时，该力作用于单位面积上的力即为纵向应力。由于这种应力，物体的长度会发生变化。长度变化与原始长度之比称为线应变。

$$\mathrm{杨氏模量(E)=\frac{纵向应力}{线应变}}$$

$$\mathrm{E=\frac{F/a}{\Delta L/L}}$$

$$\mathrm{E=\frac{FL}{a\Delta L}}$$

体积模量

体积模量是压缩应力与体积应变之比。压缩应力是作用于整个物体的应力。体积应变是体积变化与原始体积之比。

$$\mathrm{体积模量(K)=\frac{压缩应力}{体积应变}}$$

$$\mathrm{K=\frac{F/a}{\Delta v/v}}$$

$$\mathrm{K=\frac{Fv}{a\Delta v}}$$

剪切模量

它是切向应力与剪切应变之比。作用于物体切向的应力为切向应力。角度变化与原始角度之比为剪切应变。

$$\mathrm{剪切模量(K)=\frac{切向应力}{剪切应变}}$$

$$\mathrm{n=\frac{F/a}{\Delta \theta }}$$

应力-应变曲线

应变与应力的图形表示如下所示。

• 在此曲线中，*OA* 表示应变与应力成正比的区域。

• 当应力增加到很大的程度时，应变迅速增加，应力-应变关系不再成立。点A是弹性极限。

• 经过点B后，应变增加，这是应变软化点。

• 从点C开始，材料开始硬化。

• D是断裂点。

应用

• 承重通常使用强度高的材料。起重机和电梯承载的载荷非常高。因此，用于悬挂的绳索和电缆应由强度高的材料制成。因此，绳索和电缆使用杨氏模量较高的材料。

• 可以通过材料的弹性行为来了解固体材料的强度。通过了解这一特性，可以选择最适合建筑物柱子和柱子建造的材料。

• 了解材料的弹性行为在工程中非常重要。

• 弹性原理也可用于测量山的高度。

• 桥梁不应因交通繁忙或飓风而变形。这是通过了解固体的弹性特性来实现的。

• 如果力超过弹性极限，机器的金属部件会变形。通过这种特性可以选择合适的材料。

结论

本文解释了物质的不同状态。本教程还讨论了弹性。还讨论了材料的弹性特性。胡克定律、弹性模量和不同类型的弹性也进行了讨论。上面给出了应力与应变之间的关系、其图形表示和解释。还讨论了材料的应用。

常见问题解答

Q1. 影响弹性的因素有哪些？

A1. 许多因素会影响弹性特性。它们是应力、温度、晶体性质、退火和杂质。

Q2. 什么是泊松比？

A2. 横向应变与纵向应变之比是一个常数。该常数称为泊松比。

$$\mathrm{泊松比=\frac{横向应变}{纵向应变}}$$

Q3. 弹性模量随温度变化吗？

A3. 如果材料温度升高，材料的晶格振动就会增加。这会降低材料的弹性模量。

Q4. 什么是弹性极限？

A4. 如果应力作用于物体，它就会变形。去除该应力后，它会恢复到原来的位置。在该应力之前，物体能够恢复其尺寸的最大应力称为弹性极限。超过此极限，物体将无法恢复其原始尺寸。

Q5. 重型机械中使用哪些材料？为什么？

A5. 钢和黄铜材料更适合用于重型机械。因为它们的杨氏模量很高，需要很大的力才能变形。