关于脆性材料的本质

Agoni

  陈津民
                               （成都理工大学     成都    610059）
摘要：材料分为塑性材料和脆性材料，材料力学对塑性材料研究比较充分，所以現有的材料力学主要适用于塑性材料。由于对脆性材料的本质認识不清，很多力学现象无法解释。该文指出脆性材料的本质不是材料的非均匀性，而是材料的多孔性。
关键词：断裂   孔洞   粒子
    材料分为塑性材料和脆性材料，对塑性和脆性的定义有各种说法：
    1，字典的说法
    現代汉语词典[1]，塑性：“在应力超过一定限度的条件下，材料或物体不断裂而继续变形的性质。在外力去掉后还能保持一部分残余变形”。脆性：“物体受拉力或冲击时，容易破碎的性质”。
    从力学的专业角度看，字典的说法显然欠妥，这里提出断裂、继续变形、有残余变形都不是区别塑性材料和脆性材料的条件。在拉应力作用下塑性材料和脆性材料都可能断裂，在断裂前都可能缕续変形，在断裂后都可能有残余変形。
    2，材料力学的说法
    材料力学[2]，[3]，都是通过试件的拉伸试验，通常拉断后残余变形小于百分之五的为脆性材料，大于百分之五的为塑性材料。
    材料力学只是从表象来定义，並未涉脆性材料的本质。
    3，浅说细覌
    我对微覌和细观了解甚少，但讨论脆性材料又避不开细观，所以只有浅说一下。物质都是由粒子组成的，这里的粒子不是具体的电子、中子、质子、原子等，而是一个摸糊的抽象的概念。这个粒子不是死的停在某个位置，而是和巡逻警察一样在其平衡位置附近不停的运动，每个粒子都有一个控制范围（场)。毎个粒子的控制范围就是该粒子的专有地盘，其它粒子是不能入侵的。把粒子的控制范围看成球体(可近似看成立方体)，如果材料被同一种粒子充滿 ，材料内部没有孔隙，这种材料从宏观到细观都是连续的，这就是塑性材料(塑性材料内部也可能有少量孔隙，即缺陷)。如果材料不能被同一种粒子所充满，材料内部存在很多小的孔隙，孔隙中通常是真孔或空气。孔隙非常小，有的小到水都无法进入，如玻璃、部分陶瓷、固体石蜡。有的略大一点，水可以进去，如多数岩石、食物。孔隙通常肉眼看不到，所以这种多孔材料宏观上仍然是连续体。如果我们把研究尺度到达小孔水平，这就是细观，从细观看多孔材料是非连续体，这种多孔材料就是脆性材料。脆性材料一定是多孔的，有的脆性材料除小孔外还会有少量大孔洞。孔洞以外的部分称为基质，脆性材料的基质体积比空洞体积大，所以基质部分都厚实。多孔的不一定是脆性材料，如果基质体积比孔洞体积小很多，基质变成薄壁构件，如泡沫塑料、泡沫金属，这些材料不是脆性材料，它们的失效是失稳，而不是断裂。
    4 ，生活常识中的脆
    细观的尺度比粒子的尺度大得多，比宏观尺度又小得多。材料力学是研究连续体的，而脆性材料宏观上是连续体，所以可把脆性材料放在材料力学中研究。但很多力学现象，如脆性材料的抗压強度比抗拉強度大得多；塑性材料不易压坏，脆性材料容易压碎等，只有认定脆性材料是多孔材料，才能从细观解释。
    从散粒体到脆性固体，再到塑性固体，最后到流体。散粒体是极限脆性材料，流体是极限塑性材料。当基质的強度较大，水孔洞相当于空气孔洞，孔洞被水占居，这种材料仍然是脆性材料。当基质的強度较低，如食物，这时的水孔洞就不是空气孔洞，若孔洞全被水占居，这种材料就是塑性材料。我们以抄手皮为例，抄手皮由面粉和水组成，面粉是散粒体，体积较大，中间有很多孔隙，当加入少量水，部分孔洞被水占居，但仍然有很多空气孔洞，面团容易开裂，这个面团是脆性材料。当水加足后，通过反复揉搓挤压，空气被排出，孔洞被水占居，不再有空气孔洞，水和面粉分布比较均匀，这时的抄手皮是塑性材料。包抄手时，通常都盖上湿帕子，因为不盖湿帕子，水分容易蒸发，抄手皮中又会有空气孔洞，抄手皮容易破碎，即塑性材料变成脆性材料。如果把包好的抄手放在冰箱中冷冻，抄手皮的边角就容易破碎，即低温也可以使塑性材料变成脆性材料。
    再以黄豆、花生米和坚果为例，生的含水较多，吃起来不脆。当通过炒制，冷却后，吃起来很脆，因为炒前孔洞被水占居，是塑性材料，炒制冷却后水排出，形成很多空气孔洞，就是脆性材料。刚炒好没有冷却，仍然不脆，这是温度的影响。
    这种水和温度引起塑性和脆性的转化，都和材料的均匀性无关。
    5，脆性材料力学现象的细观分析
    我们把脆性材料看成连续介质，用材料力学或弹性力学求得的应力称为宏观应力。求到宏观应力后，我们再把研究尺度取小一点，即研究对象只少包含一个小孔洞，再用弹性力学求解孔边应力，这种应力就是细观应力。
    在轴向宏观压应力作用下，在孔边的横向产生未放大的细观拉应力。而塑性材料没有孔洞(缺陷会在屈服时修复)，因此轴向宏观压应力不会产生细观拉应力，因此，脆性材料会压坏，而塑性材料不会压坏。
    在轴向宏观拉应力作用下，在孔边的轴向产生放大了的轴向细观拉应力，放大倍数就是应力集中系数。在轴向宏观压应力作用下，在孔边的横向产生不放大的细观拉应力。脆性材料的破坏就是由细观拉应力引起的拉张破坏，经过放大的由宏观拉应力产生的细观拉应力当然比未经放大的由宏观压应力产生的细观拉应力容易破坏。所以脆性材料的抗拉強度低，抗压強度高。
    围压会在横向产生细观压应力，会大大抵消由轴向宏观压应力在横向产生的细观拉应力，这样围压就会提高破坏时的轴向压应力。
    粒子的控制范围和温度有关，温度低控制范围小,原来没有孔洞的塑性材料会产生孔洞，所以低温塑性材料会变成脆性材料。温度高控制范围大，原来有孔洞的脆性材料的孔洞会消失，因此高温会使脆性材料变成塑性材料。
    现在真计箕细观应力还有周困难，所以只能作定性分析。
       6，结论
       有的脆性材料是存在非均匀性问题，但脆性材料的本质和均匀性无关，脆性材料的本质是多孔性。脆性材料的破坏都是由孔边的细观拉应力引起的拉张破坏。
                                       参考文献
[1] 现代汉语词典，中国社会科学院语言研究所词典编辑室编，商务印书馆出版，1983；
[2] 材料力学，任德斌主编，大连理工大学出版社，2009；
[3] 材料力学，黄海明  祝瑛主编，北京交通大学出版社，2012；
[4] 徐芝纶，弹性力学简明教程（第3版），北京高等教育出版社，2002；
[5] 徐芝纶，弹性力学（第4版），北京高等教育出版社，2011；
[6] 陈津民，铸铁单向压缩破坏的最大剪应力理论之否定，力学与实践，2（1985）；
[7] 陈津民，強度理论的新观点---兼答李春荣同志，力学与实践，4（1987）；
[8] 陈津民，细观应力破坏准则和五大强度理论，地球与环境，2005（增刋）。

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