§5-4  固体的形变和弹性

    一、固体在外力作用下的一般情形

    上面讨论的刚体是一种理想模型,其形状在任何情况下都不会发生变化。但是实际的固体在受到外力作用时形状都要发生变化,只不过有的物体形状变化明显,容易察觉,而有的物体形状变化微小,不容易察觉罢了。固体受外力作用所发生的形状变化,称为形变。当外力除去后,形变也随着消失,这种形变称为弹性形变;当外力除去后,固体的形状不能完全恢复原样,产生了永久的形变,这种形变称为塑性形变。

    为了定量地描述固体的形变,大家引入应力和应变的概念。当固体受外力作用而发生形变时,内力相应改变,固体横截面单位面积上内力的改变量,就称为应力。或者说,应力就是固体在单位横截面上产生的弹性力。应力不仅能抵抗外力的作用,而且当外力撤除后能消除形变,使固体恢复原来的形状。所谓应变,就是固体在外力作用下所发生的相对形变量。

图5-12

    实验表明,当固体受力作用而被拉伸时,从开始发生形变直至最后断裂的整个过程如图5-12所示。由图可见,曲线OP段为直线,在此范围应力s与应变e成正比,点P所对应的应力是这一比例关系的最大应力,称为比例极限,用s p表示。点E所对应的应力se是发生弹性形变的最大应力,称为弹性极限。当应力s >se时,发生塑性形变。例如,当应力达到点C所对应的应力sc时,若把外力撤除,固体的应力与应变的关系将沿O¢ C变化,最后留下一定的剩余形变OO¢当应力达到点B所对应的应力s b时,固体就断裂了,s b称为强度极限。

    图5-12所表示的情况虽然是固体在受外力作用被拉伸过程中应力与应变的关系,但可以从中看到固体受力形变的一般情形。有些固体的弹性极限与强度极限十分接近,因而塑性形变很小,称为脆体;有些固体的弹性极限与强度极限相距较远,可以产生很大的塑性形变,称为可塑体。

    实验发现,固体发生塑性形变后的硬度增大了,若再要使它发生塑性形变,所需要的外力比先前要大。这也可以从图5-12中看出,当应力为sc时,固体将发生由OO¢ 所表示的塑性形变,若再施加外力作用,应力与应变的关系将沿O¢C变化,只有当应力大于sc时,固体才会发生塑性形变。固体的这种性质,称为加工硬化。从图5-12还可以看出,加工硬化后的固体必定变脆了,因为这时弹性极限与强度极限更接近了。

       
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