2.1.2　弹性变形机理

金属及化合物和高分子聚合物的弹性变形机理是不同的。

2.1.2.1　金属和化合物的弹性变形机理

对金属和化合物，在外力作用下，原子偏离其平衡位置。当承受拉应力时，随应力增大，两原子之间的距离增大（产生宏观的变形），应力有一个极大值，如果施加的应力小于这个极大值，当外加应力去除后，原子可以恢复到原来的平衡位置，宏观变形消失。所以，从微观上来说，这个极大值就是弹性极限。但是，材料的弹性极限远远小于这个数值。其原因有以下几个：①多晶体材料是由许多位向不同的晶粒组成的，单晶体不同方向上原子间距不同，原子间距小的方向上弹性模量大，原子间距大的方向上弹性模量小，导致了各个晶粒沿拉伸方向的弹性模量是不等的。沿拉伸方向弹性模量大的晶粒承受的应力大，弹性模量小的晶粒承受的应力小，即在微观上应力分布是不均匀的，有大有小。②实际材料中存在各种各样的缺陷，在这些缺陷处造成应力集中，也造成实际的弹性极限数值的减小。③由于材料中存在位错，当应力还未达到极大值时位错已经开始运动（见2.2.2节的介绍），“提前”发生了永久变形。实际用的金属和化合物的弹性都很小，多数为1%～2%。

显而易见，原子结合能越大，其弹性模量也越大。因为以离子键和共价键结合时的结合能比金属键的结合能大，所以陶瓷材料往往具有比金属大的弹性模量。碳的结合能很大，制成碳纤维，缺陷少，不仅弹性模量大，而且强度可与金属媲美。熔点高的材料结合能大，弹性模量也大，同时高温强度也高，如Ni、Co、W、Mo等。从材料制备工艺考虑如定向凝固、制备成单晶，都能最大限度地发挥材料的性能潜力。定向凝固已广泛用来制造汽轮叶片，而Mo做成单晶用于制造航天发动机叶片等都是典型的应用案例。

2.1.2.2　高分子聚合物的弹性变形机理

高分子聚合物在外力作用下则表现为键长和键角的增大或减小甚至构象的变化，因而，尽管具有较大的结合能，但往往表现出较小的弹性模量和较大的弹性。

如图2-2所示，在力F作用下，两个碳原子的键角发生变化，如果不考虑键长的变化，当键角从109°28'变成180°时，发生的变形量为22.45%。汽车、自行车轮子内胎、气球等材料的弹性可以达到百分之几百甚至更大，原因何在？当线型或支链型高分子聚合物为非晶的无规线团时，在外力作用下，其构象发生变化，在拉应力作用下发生伸长使弹性模量大大减小，同时具有很高的弹性。橡胶就属于这种情况，橡胶在外力作用下构象发生变化，宏观上表现出很大变形，这时排列熵减小，当外力去除后，又发生构象的变化使变形得以恢复，恢复的动力一部分来源于弹性应变能，一部分来源于排列熵的增加。键长和键角的增大或减小使系统的能量增加，由此而产生的弹性称为能弹性。能弹性比较小，一般不超过百分之几。构象引起熵的变化，由此而产生的弹性称为熵弹性，熵弹性可以很大。塑料、纤维主要是能弹性，而橡胶的弹性主要是熵弹性。

图2-2　高分子的变形