坚硬的,为什么有的硬的东西容易碎?
这个问题首先得明确下“硬”的概念。学术上坚硬的,或者说科学上的“硬”,与我们日常生活中的“硬”表达的意思完全不一样。下面,我来详细讨论下。
1、“硬”的定义
日常生活中,我们觉得钢铁比棉花硬,也比木头硬。我们有这样的感觉,是基于我们对这三种材料施加力后,从材料的变形特征,总结出来的。因此,日常生活中所说的“硬”,其实指的是材料的刚度,即抗变形的能力,力学上用弹性模量来衡量。
实际上,在材料科学上,“硬”有它自己的定义,通常用硬度来表示,指的是材料局部抵抗硬物侵入表面的能力。硬度的测量根据不同的方式,有好几种:洛氏硬度、维氏硬度、布氏硬度、努氏硬度等。下图为洛氏硬度原理图,施加指定大小的力,在不同的材料上就会出现不同的刻痕,根据刻痕的大小,来确定硬度的值。
由此可见,材料学上的硬度,针对的是材料表面的一种性能。而日常生活中的硬度,针对的是材料整体的力学性能。
2、硬而脆的现象
根据材料学上的硬度定义,指的是抵抗外物局部侵入的能力。外物的侵入,首先是从变形开始,然后挤压破坏。在开始阶段要首先发生变形,这与日常生活中的硬度(力学上的刚度)有所联系。所以,通常来讲,刚度大的物体,其表面硬度也大。
为了说明脆的问题,我们先要了解下材料的应力应变曲线,如上图。脆指的是材料发生断裂破坏,这与应力应变曲线围成的面积有关。这个面积力学上称之为应变能密度,就是单位体积内,材料发生断裂的能量。所以,“脆”与这个应变能密度息息相关。
假如存在两种材料,应力应变曲线如上图。其中围成面积大的(红色曲线),必然不那么脆,因为想要发生断裂,需要的能量更多。而另一根黄色曲线,围成的面积相对就小很多,也就意味着黄色曲线代表的材料更加容易破坏。
对比这两根曲线,我们发现一个很奇妙的现象:黄色围成面积小,即易破坏,但是弹性模量大,即刚度大。红色围成面积大,即不易破坏,但是弹性模量小,即刚度小。大多数材料都是如此。
3、硬而脆的解释
绝大多数材料都是硬而脆,这是一种宏观现象,尽管我们可以用力学的方法,找到相关的力学参数的不同。但是,仍然缺乏一种更加本质的解释。
我们都知道,材料的力学特性随温度发生变化。高温状态下,偏韧性。低温状态下,偏脆性。在应力应变曲线上,就如图上图的红色和黄色曲线。即低温时,弹性模量大,刚度大,但是面积小易碎。高温时,弹性模量小,刚度小,但是面积大,不易碎。
我们虽然无法定量的解释这种情况,但是从高低温的应力应变曲线,可以对这种硬而脆给出一个定性的解释。即:硬的物体由于刚度大,难以发生变形,但是其变形响应时间缺较短,从晶体结构层面,晶界会发生振荡,造成材料更加容易被破坏。而硬度小的物体,由于刚度小,变形很容易发生,但是变形响应时间慢,晶界的振荡有足够的时间来协调,从而不易发生破坏。
举一个通俗的例子,一根尺子一端固定,弹另一端,尺寸发生振动。如果尺子刚度大,振动就会很激烈。如果尺子软绵绵的刚度小,振动就不那么激烈。
4、总结
通常我们所说的“硬”,其实指的是材料的抗变形能力,即力学上的刚度。
材料科学上的硬度与刚度通常情况下也成正比。
发生“易而脆”现象,主要取决于材料的变形响应时间,而变形响应时间与刚度密不可分。