第二章 弹性变形与塑性变形

一、弹性和塑性的概念可变形固体在外力作用下将发生变形。

根据变形的特点，固体在受力过程中的力学行为可分为两个明显不同的阶段：当外力小于某一限值（通常称之为弹性极限荷载）时，在引起变形的外力卸除后，固体能完全恢复原来的形状，这种能恢复的变形称为弹性变形，固体只产生弹性变形的阶段称为弹性阶段；当外力一旦超过弹性极限荷载时，这时再卸除荷载，固体也不能恢复原状，其中有一部分不能消失的变形被保留下来，这种保留下来的永久变形就称为塑性变形，这一阶段称为塑性阶段。

根据上述固体受力变形的特点，所谓弹性，就定义为固体在去掉外力后恢复原来形状的性质；而所谓塑性，则定义为在去掉外力后不能恢复原来形状的性质。

“弹性（Elastici ty）”和“塑性（Plasticity）”是可变形固体的基本属性，两者的主要区别在于以下两个方面：1）变形是否可恢复．．．．．．．：弹性变形是可以完全恢复的，即弹性变形过程是一个可逆的过程；塑性变形则是不可恢复的，塑性变形过程是一个不可逆的过程。

2）应力和应变之间是否一一对应．．．．．．．．．．．．．：在弹性阶段，应力和应变之间存在一一对应的单值函数关系，而且通常还假设是线性关系；在塑性阶段，应力和应变之间通常不存在一一对应的关系，而且是非线性关系（这种非线性称为物理非线性）。

工程中，常把脆性和韧性也作为一对概念来讲，它们之间的区别在于固体破坏时的变形大小，若变形很小就破坏，这种性质称为脆性；能够经受很大变形才破坏的，称为韧性或延性。

通常，脆性固体的塑性变形能力差，而韧性固体的塑性变形能力强。

二、弹塑性力学的研究对象及其简化模型弹塑性力学是固体力学的一个分支学科，它由弹性理论和塑性理论组成。

弹性理论研究理想弹性体在弹性阶段的力学问题，塑性理论研究经过抽象处理后的可变形固体在塑性阶段的力学问题。

因此，弹塑性力学就是研究经过抽象化的可变形固体，从弹性阶段到塑性阶段、直至最后破坏的整个过程的力学问题。

第二章弹性变形阶段的力学性能一.弹性变形的特点及物理本质特点:1.可逆性:外力去除后,变形随即消失,从而恢复原状;2.单值性:无论加载或卸载,应力应变都保持单值的线性关系;3.变形量很小:一般小于0.5--1。

为什么金属具有上述弹性变形特点？需要进一步了解金属变形的物理过程后才能解释。

我们都知道，金属是由原子规则排列组成的晶体,相邻原子间存在一定的作用力。

弹性变形就是外力克服原子间作用力，使原子间距发生变化的结果；而恢复弹性变形则是在外力去除后，原子间作用力迫使原子恢复原来位置的结果。

为简便起见，可借用双原子模型来进行分析。

如P9及图1-5所示，金属相邻两原子在一定范围内，其间存在有相互作用力，包括有相互引力和相互斥力。

一般认为：引力是由金属正离子和自由电子间的库仑引力所产生；斥力是由正离子和正离子，电子和电子间的斥力所产生。

其中引力和斥力是相互矛盾的。

引力力图使原子n1和n2尽量靠近，而斥力又力图使二原子尽量分开。

曲线1表示引力随原子间距r的变化情况，曲线2表示斥力随r变化情况，曲线3表示引力和斥力的合力。

当无外力作用时，原子在r=r。

处引力和斥力平衡，合力为零。

所以r。

是两原子平衡间距，即正常的晶格原子间距。

下面的曲线表示了原子间势能曲线在r 。

处势能最低，处于稳定状态。

当外力作用促使两原子靠近（r〈r。

）或分开（r〉r。

）时，必须克服相应的斥力或引力，才能是原子达到新的平衡位置，产生原子间距的变化，即所谓的滑变形。

当外力消除后，因原子间力的作用，原子又回到原来平衡位置（r=r。

）即恢复形变，这就是弹变的物理过程，也是弹变具有可逆性的原因。

两原子的作用里P和间距r之间的关系可表示为：P=A/r²-A r²。

/r4=A/r2-B/r4式中A和 r。

是与晶体有关的常数；式中第一项为引力，第二项为斥力，当两原子靠近时，斥力比引力变化快，因而合力表现为相斥，当r〉r。

时，引力起主导作用，各力表现为相引，同时上式还说明各力P和r的是曲线关系。

第一章材料的弹性变形一、填空题：1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂的能力。

2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。

3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。

二、名词解释1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。

弹性变形是可逆的2.弹性模量：拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数）切变时τ=GγG：切变模量3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。

4.弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。

三、简答：1．金属材料、陶瓷、高分子弹性变形的本质。

答：金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。

对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。

2．非理想弹性的概念及种类。

答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。

表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。

种类主要包括滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。

3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理?答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。

加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。

时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。

四、计算题：气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—1.9P+0.9P2)E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。