固體變形

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簡介

物體或固體形狀是物體佔據的空間的幾何描述，由其外部邊界表示。由於物理力的作用，固體的形狀發生變化，這種現象稱為固體變形。

在某些外力作用下，物體發生變形，例如扭曲、拉伸、斷裂、壓縮和擠壓。在物理學中，物體或固體的變形過程可以用兩個術語來描述：應變和應力。

應變和應力之間的關係可以寫成以下形式

應力 = 彈性模量 × 應變

什麼是變形？

• 導致物體尺寸和形狀發生變化的物理應力稱為變形。使物體彎曲、拉伸、斷裂、壓縮和拉開的物理力包括重力和重量。
• 物理力對物體的影響完全取決於它們的物理組成（Cui 等人，2017）。
• 因此，如果發現磚牆出現了裂縫，則可以認為牆體受到了某種程度的應力和應變。兩種常見的變形型別是斷層和褶皺。還存在幾種型別的岩石或固體變形，如韌性變形、彈性變形和脆性變形。

固體變形：解釋

如果固體材料的形狀、長度或體積由於外力、機械力甚至物理化學力的作用而發生變化，則這種現象被認為是固體變形（Xu 等人，2017）。固體材料的形狀由固體佔據的空間的幾何描述決定，並被認為是其外部邊界。

圖 1：金屬的變形

固體材料中主要發生三種類型的變形，即彈性變形、脆性變形和韌性變形。

• 彈性變形是當從固體材料中去除外力時消失的暫時變形（Zhao 等人，2020）。
• 塑性或脆性變形是不可逆的永久變形，即使在從固體中去除力後仍然存在。
• 由於韌性變形，固體物體的形狀或體積永久地發生變化。

固體的彈性和塑性變形

存在多種型別的變形，其中彈性變形和塑性變形是主要的變形。塑性變形也被稱為脆性或永久變形（Gcekjr，2020）。這種塑性變形基本上是不可逆的，並且是即使在從物體或固體材料中去除施加的力後仍然存在的一種變形型別。彈性變形被認為是暫時變形，並且也是可逆的。這種型別的固體變形在施加的力從物體或固體中去除後消失（Xu 等人，2017）。如果物體受到外力作用，則該材料將經歷彈性變形，然後是塑性或脆性變形。

應力和應變

應力是定義外壓強度的物理量，是變形的主要原因。另一方面，應變處理的是變形程度的測量。應變和應力之間的關係可以表述為：

應力 = 彈性模量 × 應變（Ren 等人，2017）。

彈性模量被確定為應變和應力之間的比率，並描述了每單位變形施加的特定壓力量。

圖 2：應力和應變：曲線

存在幾種型別的應力，例如剪下應力、體積應力、拉伸應力和壓縮應力。應變處理的是固體材料（例如其幾何形狀、體積或長度）中發生的相對變化的解釋，並被認為是無量綱數。

結論

固體變形是指在施加機械力、物理力或物理化學力後，固體材料的形狀、體積、長度和其他性質發生變化。在物理學中，固體變形過程由兩個術語定義，即應力和應變（Xu 等人，2017）。

幾種型別的固體變形包括：彈性或暫時變形；塑性或脆性變形被確定為永久變形；另一種是韌性變形，其中固體材料的形狀或體積永久地發生變化。彈性和塑性變形本質上是不可逆的。

常見問題

Q1. 你所說的金屬變形是什麼意思？

如果金屬物體在受到一定的物理力作用後改變了其形狀、尺寸或體積，則將其確定為金屬變形。這種變形可能是由外力、機械作用甚至物理化學過程引起的。

Q2. 什麼是長度變形？

長度變形的模量稱為楊氏模量。它表示應力和應變圖的彈性區域排列的直線的斜率。它通常處理測量材料被拉伸了多少。

Q3. 什麼是恢復力和變形力？

如果對固體材料施加外力，它將導致其實際形狀、位置或尺寸發生變化。這種現象表示長度、形狀或體積的變化，這種變化發生在施加變形力後物體中。透過去除變形力逐漸恢復固體材料形狀的力被稱為恢復力。

Q4. 應力和應變曲線的用途是什麼？

應力是物體經歷的單位面積上的變形力。應變是物體實際值的單位變化量。應力和應變曲線處理的是當主要對材料施加外部壓力時材料的行為，以及其體積、形狀或長度的變化。

參考文獻

期刊

Cui，Y.，Chan，D. 和 Nouri，A.（2017）。固體變形和孔隙壓力耦合用於不排水變形——離散元方法。岩土力學數值與分析方法國際期刊，41（18），1943-1961。檢索自：www.researchgate.net

Ren，Y. M.，Lin，X.，Fu，X.，Tan，H.，Chen，J. 和 Huang，W. D.（2017）。高功率雷射固體成形 Ti-6Al-4V 合金的微觀結構和變形行為。材料學報，132，82-95。檢索自：www.researchgate.net

Xu，Q.，Jensen，K. E.，Boltyanskiy，R.，Sarfati，R.，Style，R. W. 和 Dufresne，E. R.（2017）。應變相關固體表面應力的直接測量。自然通訊，8（1），1-6。檢索自：www.nature.com

Zhao，Y. 和 Borja，R. I.（2020）。各向異性彈塑性多孔介質中耦合固體變形-流體流動的連續介質框架。應用力學與工程計算方法，369，113225。檢索自：www.sciencedirect.com

網站

Gcekjr（2020）。關於材料的變形行為。檢索自：www.gcekjr.ac.in [檢索日期：2022 年 6 月 17 日]