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1 # 一秋樹葉
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2 # 羅思揚
為了解釋低溫能否降低物體的韌性,我們先了解韌性的定義。
韌性表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。換句話說,在吸收同樣能量的條件下,韌性越高的材料越不容易發生塑性變形和斷裂。
在材料學中,物體受力變形分為三種,即彈性變形(撤銷力後可恢復)、塑性變形(撤銷力後不可恢復)和脆性變形(即斷裂)。
舉個簡單的例子,一般情況下,彈簧的韌性比雞蛋殼要大很多,也就是說雞蛋殼更脆。如果我們用一個錘子去敲雞蛋,雞蛋會直接脆裂,而彈簧會在自身承載能力的很大範圍內都只產生彈性變形,故如果用敲雞蛋的力去敲一個尺寸相當的彈簧,在鬆開錘子的時候彈簧會恢復到原來的形狀而不被破壞,這便體現出了彈簧的韌性。
那麼溫度對物體的韌性有何影響呢?
物體在受力斷裂的過程中,既有宏觀的整體分離,也有微觀的分子運動位置的變化。而微觀的分子之間相互作用和位置的變化才真正決定了物體在受載時是否發生斷裂。從而溫度對物體力學效能的影響可以用溫度與分子平動動能的關係式來分析,即
其中m 為分子質量,v為分子運動的平均速度,k為玻爾茲曼常數,T為溫度。
可以看到溫度與分子動能是直接相關的,溫度越高,分子動能越大,即運動速度越大,運動越劇烈。
從分子動力學的角度來講,對於均勻的物體而言,物體在發生脆斷的過程中,分子或原子在極短的時間內脫離了原有的穩定相對位置或晶格結構,從而產生了宏觀上的裂紋,最終導致物體斷裂。
在宏觀上穩定的物體,其內部的分子或原子也一直在做著熱運動,圍繞著其平衡的位置不斷波動,當溫度升高時,這種波動程度會逐漸增大,分子之間的平均距離也逐漸增大(類似於氣體受熱膨脹),此時物體受力發生形變的勢壘降低,形變的過程更為平滑和連續,從而不易出現脆裂。
而當物體降溫後,如水凝結成冰,其水分子的間距大大減小,分子之間的作用力變強,分子熱運動的動能也減小,這一方面導致冰的硬度遠遠高於水,另一方面也使得它具有很大的脆性,而不具備水(液體)的這種柔韌性。
水凝結成冰是比較極端的例子,其實不難理解,同種物質在液態變成固態的時候是要放熱的,即降溫,而這個過程便導致了同種物質的固態要比液態更脆,從而可以說明一般情況下低溫是會降低物體的韌性的。值得注意的是,有一些金屬是熱脆的,這是因為加熱過程中產生了相變化和相反應,但這與其冷脆性並不衝突。
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對大部分物體來說是的。分子的活性和溫度有直接關係,一般來說溫度越高,活性越高。無論高溫還是低溫對於大多數物體來說,都會有一個臨界溫度,比如金屬,熱塑性高分子材料等。當溫度高於一定值時,它會融化,低於一定值時就會變脆。