弹簧与橡皮泥：理解板材的弹性与塑性应变

弹性与塑性应变概念

弹性应变

弹性应变是指在弹性范围内，板材在受力作用下发生的可逆变形。当外力作用停止后，板材能够恢复到原来的形状和大小。弹性应变遵循胡克定律，即应力与应变成正比，比例系数为弹性模量。弹性模量描述了材料在弹性变形范围内的特性，与应力和应变的关系为σ=Eε，其中σ是应力，E是弹性模量，ε是应变。

塑性应变

塑性应变，也称为永久应变，是指在应力作用下，板材发生的不可恢复的变形。即使应力全部消失，板材仍然保留了一部分变形。在小变形情况下，总应变可以分解为弹性应变和塑性应变：ε=εe+εp，其中εe是随应力消失而消失的部分，εp是应力消失后仍保留的部分。

弹性与塑性应变的区别

变形的可恢复性

弹性应变是可逆的，即在去除外力后，板材可以完全恢复到原来的状态。而塑性应变是不可逆的，即在去除外力后，板材无法完全恢复到原来的状态。

应力应变关系

在弹性阶段，应力与应变之间存在一一对应的单值函数关系，通常假设是线性关系。在塑性阶段，应力与应变之间通常不存在一一对应的关系，而是非线性关系。

材料的性质

弹性变形的特点是线性关系和正比性，而塑性变形的特点是非线性关系和不可逆性。塑性变形的程度受到温度、应变速率和材料类型等因素的影响。

弹性与塑性应变的工程应用

弹性变形的应用

在工程设计中，弹性变形的特性被广泛应用于弹簧、弹簧板等弹性元件的设计和制造。这些元件依赖于材料的弹性变形特性来吸收能量和振动，从而实现其功能。

塑性变形的应用

在金属加工工艺中，如锻造、冷挤压、拉伸等过程，都是基于金属材料的塑性变形特性来实现的。这些工艺利用金属材料的塑性变形能力，使金属制件成形，同时还可提高制件的强度和硬度。

综上所述，板材的弹性与塑性应变在工程应用中扮演着关键角色，它们的特性决定了材料在不同工况下的行为和最终产品的性能。

对于冲压而言，希望塑性应变在一个合理的区间内，通常设置的参数为0.03~0.3，如果超过0.3说明局部发生了剧烈的变形，具有开裂的风险，如果小于0.03则说明材料没有经过充分的拉伸，变形保持不稳定。建议，零件区域内的变形，控制在0.03~0.3之间。

延伸阅读

为什么板材的塑性变形会导致材料的永久形变？

板材的塑性变形导致材料的永久形变是因为在塑性变形过程中，材料内部的微观结构发生了不可逆的改变。这种改变主要体现在材料内部原子的重新排列，特别是在金属材料中，原子的滑移错位是导致塑性变形的主要机制。当外力作用超过材料的弹性极限，金属内部的原子会沿特定的晶面和晶向相对滑动，形成滑移带。这种滑移是不可逆的，因为一旦原子滑移到位，它们不会自动回到原始位置。此外，在塑性变形过程中，材料内部的应力会随着时间的推移而逐渐松弛，这也是塑性变形的一个重要特征。

在多晶体金属中，除了晶内的滑移变形外，晶粒之间的变形（晶间变形）也会发生，这进一步增加了塑性变形的复杂性。晶间变形可以通过多种机制进行，包括晶界滑移、扩散蠕变等，这些变形同样是不可逆的。

总的来说，板材的塑性变形导致材料的永久形变是因为在外力作用下，材料内部原子的重新排列和晶格结构的改变是不可逆的，这些改变在去除外力后无法自行恢复，因此导致了永久的形变。