材料的彈性行為

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引言

宇宙中的所有物質都由稱為分子的微小粒子組成。它們之間存在著某種吸引力。分子之間存在著分子間引力。根據分子間的吸引力，物質可分為五類：固體、液體、氣體、等離子體和玻色-愛因斯坦凝聚態。固體是分子間距離非常小且緊密結合在一起的物質。液體是分子間距離較小且結合不如固體緊密的物質。

什麼是彈性？

當力作用於物體時，物體就會變形。如果在力去除後物體恢復其原始形狀，則該力稱為彈性力。因為它使物體的尺寸發生變化，所以它被稱為變形力。這種現象稱為彈性。當橡膠受到拉力時，橡膠的長度和厚度都會發生變化。去除力後，它恢復到原來的尺寸。這種特性稱為彈性。

材料的彈性特性

• 強度是指固體在承受應力時保持不變的能力。它也具有抗變形能力。如果物體對變形力的抵抗力較小，則它很容易變形。

• 當力作用於物體時，物體的形狀會發生變化。如果在力去除後恢復其形狀，則稱為彈性。

• 如果物體在去除變形力後不能恢復其原始形狀，則稱為塑性。

• 固體材料拉伸成薄片、細絲或薄板的能力稱為延展性。

• 硬度是材料避免劃傷、切割和穿透的能力。

• 由於固體材料分子間的距離較小，它們之間的力非常強。

• 固體材料中的分子彼此非常靠近。由於它們之間的距離很小，固體材料是不可壓縮的。

• 由於距離很小，它們很堅硬和剛性。

• 固體可以導電。

• 化學變化會改變物質的組成。

• 韌性是塑性和強度的綜合形式。

胡克定律

在彈性極限內，材料中產生的應變與施加的應力成正比。

$$\mathrm{應力\propto 應變}$$

這被稱為胡克定律。

應力 - 作用於物體並改變物體尺寸的力稱為應力。

$$\mathrm{應力=\frac{力}{面積}}$$

應力的單位是 $\mathrm{Nm^{-2}}$。

應變 - 當應力作用於物體時，物體就會變形。尺寸變化與其原始尺寸之比稱為應變。

$$\mathrm{應變=\frac{尺寸變化}{原始尺寸}}$$

它沒有單位。

彈性模量

彈性模量表示應力與應變之間的關係。施加於材料的應力與因施加應力而產生的應變之比是一個常數。該常數稱為彈性模量。

$$\mathrm{\frac{應力}{應變}=k}$$

k - 彈性模量或彈性常數。

彈性模量有三種類型：楊氏模量、剪下模量和體積模量。

楊氏模量

彈性模量表示應力與應變之間的關係。楊氏模量是縱向應力與線應變之比。當力垂直作用於物體時，該力作用於單位面積上的力即為縱向應力。由於這種應力，物體的長度會發生變化。長度變化與原始長度之比稱為線應變。

$$\mathrm{楊氏模量(E)=\frac{縱向應力}{線應變}}$$

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

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

體積模量

體積模量是壓縮應力與體積應變之比。壓縮應力是作用於整個物體的應力。體積應變是體積變化與原始體積之比。

$$\mathrm{體積模量(K)=\frac{壓縮應力}{體積應變}}$$

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

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

剪下模量

它是切向應力與剪下應變之比。作用於物體切向的應力為切向應力。角度變化與原始角度之比為剪下應變。

$$\mathrm{剪下模量(K)=\frac{切向應力}{剪下應變}}$$

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

應力-應變曲線

應變與應力的圖形表示如下所示。

• 在此曲線中，*OA* 表示應變與應力成正比的區域。

• 當應力增加到很大的程度時，應變迅速增加，應力-應變關係不再成立。點A是彈性極限。

• 經過點B後，應變增加，這是應變軟化點。

• 從點C開始，材料開始硬化。

• D是斷裂點。

應用

• 承重通常使用強度高的材料。起重機和電梯承載的載荷非常高。因此，用於懸掛的繩索和電纜應由強度高的材料製成。因此，繩索和電纜使用楊氏模量較高的材料。

• 可以透過材料的彈性行為來了解固體材料的強度。通過了解這一特性，可以選擇最適合建築物柱子和柱子建造的材料。

• 瞭解材料的彈性行為在工程中非常重要。

• 彈性原理也可用於測量山的高度。

• 橋樑不應因交通繁忙或颶風而變形。這是通過了解固體的彈性特性來實現的。

• 如果力超過彈性極限，機器的金屬部件會變形。透過這種特性可以選擇合適的材料。

結論

本文解釋了物質的不同狀態。本教程還討論了彈性。還討論了材料的彈性特性。胡克定律、彈性模量和不同型別的彈性也進行了討論。上面給出了應力與應變之間的關係、其圖形表示和解釋。還討論了材料的應用。

常見問題解答

Q1. 影響彈性的因素有哪些？

A1. 許多因素會影響彈性特性。它們是應力、溫度、晶體性質、退火和雜質。

Q2. 什麼是泊松比？

A2. 橫向應變與縱向應變之比是一個常數。該常數稱為泊松比。

$$\mathrm{泊松比=\frac{橫向應變}{縱向應變}}$$

Q3. 彈性模量隨溫度變化嗎？

A3. 如果材料溫度升高，材料的晶格振動就會增加。這會降低材料的彈性模量。

Q4. 什麼是彈性極限？

A4. 如果應力作用於物體，它就會變形。去除該應力後，它會恢復到原來的位置。在該應力之前，物體能夠恢復其尺寸的最大應力稱為彈性極限。超過此極限，物體將無法恢復其原始尺寸。

Q5. 重型機械中使用哪些材料？為什麼？

A5. 鋼和黃銅材料更適合用於重型機械。因為它們的楊氏模量很高，需要很大的力才能變形。