材料力学
材料科学

为什么低温时东西容易变脆?

1.原理是什么、温度的变化对于材料带来了哪些改变 2.是否有材料 在一定范围内降低温度反而韧性改善的 其原理又是什么
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6 个回答

看到楼上给了那么多理论资料,展开说也挺复杂的,晶态非晶态,相变和不相变,等等。我就随意给个简单易懂的解释好了,只回答第一个问题:

低温情况下,根据统计力学,原子的能量低,即被“冻结”在一个相对较小的范围内震动。施加外力的时候,更难发生形变(因为形变的话必然是原子位置要变)。力大到一个程度的时候,就直接断键——脆裂了。

发布于 2015-01-14 23:55

已修改,第一个图得留着。

如图,宏观上对于那些有低温脆性的材料,它们的屈服强度会随温度降低急剧增加,而断裂强度随温度降低变化不大。当温度降低到某一温度时,屈服强度增大到高于断裂强度的时候,材料在未屈服之前就先达到断裂强度发生断裂,材料显示脆性。从图上可以看出,当温度较低的时候,由下向上作一条垂线会先碰到断裂强度那条线。也就是说当你施加应力的时候,首先满足了断裂的条件,材料在发生变形之前就先断了,表现出来就很“脆”,没有变形没有预兆的直接断裂。

微观上,低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关,当温度降低的时候,位错运动阻力增大,原子热激活能力下降,因此材料屈服强度增加 。这是对于之前宏观上屈服强度的解释。就像是楼下所说,温度低原子被冻住不能活动。事实上温度就是微观粒子运动的宏观表示,微观粒子运动平均速度高则动能大,温度高。温度低它们就动不了了,想让它们动得施加更大的外力。

第二个问题,答案是有。以碳钢为例,有的合金钢也有如下现象。

II区,蓝脆。蓝脆转变温度在静拉伸时范围是230~370摄氏度,在冲击载荷的作用下是525~550摄氏度,因此在这个温度范围降温一定满足第二个问题的条件。其原因是形变时效加速,当温度上升到某一适当温度时,碳、氮原子扩散速率加快易在位错附近偏聚形成柯氏气团,提高材料强度。

除了蓝脆,还有红脆,也就是区域III,和高温脆性区域IV,塑性随着温度上升而下降的,所以这几个区间降温会增加塑性。韧性是用来衡量材料吸收塑性变形功和断裂功的能力,因此也会增加。

至于在常温下是否存在温度降低韧性升高的,我暂且不知道所以无法回答。

编辑于 2015-01-21 16:22

如果是高分子材料(比如塑料)的话解释可能会更容易一些。

聚合物分子的运动有若干个层次,从高到低分别是整个分子链的运动,链段的运动和分子内键长键角的运动。整个分子链的运动在高温下容易进行,表现出的是不可逆的形变,链段运动是宏观上弹性的机理,而键长键角的运动(好吧这代表怎么样的运动我给忘了,之后查一下书再补上)。这三种运动分别对应黏流态,高弹态和玻璃态,温度形变曲线是这样的

如果温度降低到Tg(玻璃化转变温度)以下,链运动和链段运动被冻结,高分子材料就处于玻璃态,换句话说冬天的塑料凳子可能一摔就碎就是这个意思。

发布于 2015-01-18 13:13

低温使原子核自旋进动减弱,旋转逐渐趋向于同平面(原子核转轴方向一致),温度越低在轴方向上的结合力就越弱,导致很容易碎裂。

发布于 2019-09-09 02:54

看到学金属材料的后辈们如此用功的搬书毕业多年的本学渣大叔深表欣慰,23333333333

“变脆” 这种叫做直观感受的东西其实是人的错觉。

就像学弟

@岚镜夜

提到的,温度降低到一定值以后,是因为屈服强度持续增大直至超过了断裂强度,于是该物体还没来得及弯曲就已经断了。

简单的说,在常温下,瓣弯一个东西是比瓣断这个东西要少花不少力气。而在低温下,你要掰弯一个东西就要花更多的力气,直到降到某一个临界温度时,掰弯它的力=掰断它的力,然后你就觉得,它好脆。。。嘎嘣脆,于是,错觉就这么产生了。

PS:不要讨论在低温下是否更难掰弯一个男人!!

发布于 2015-01-15 13:43

从物性强度的角度解释这个问题,我们定义了一个Ductile–brittle transition temperature(DBTT)的概念,你可以理解为外界温度低于这个值的话,材料就会表现为脆性。按材工的说法,屈服强度随温度降低增加,即屈服点的变化随温度下降升高,但解理断裂强度却随温度变化很小。温度高于DBTT时,受载后先发生塑性变形,外力不断增加,塑性变形量增大,最后断裂,表现为韧性断裂;低于DBTT时,外加应力先达到解理断裂强度,但暂时还不会断裂,直到发生塑性变形, 瞬间发生的断裂被判定为脆性断裂。

至于温度降低材料韧性会不会继续呈现,要知道DBTT并不是一个定值,加载速率或应力状态的降低等因素都会让这个值减小,从而使韧性更多地表现出来。

编辑于 2021-05-24 10:39