如何从微观角度解释铁丝一折会弯，而有些塑料一折会断的现象？第1页

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谢邀，

首先我们来分析题主的问题本身。

问题分析

这个问题在解答之前必须要先进行剥析，这是因为塑料作为一种聚合物，其与金属的材料学微观本质不同，发生拉伸断裂（为什么这个问题被归于拉伸断裂，在下面会进行详细分析）的机理亦不相同。

因此这个问题其实可以分解为两部分：

为什么以铁丝为代表的一些金属在弯曲载荷下会发生弯曲？

1-plus. 在什么情况下，金属在弯曲载荷下不弯曲，而是直接断裂？

2. 为什么以某些塑料为代表的聚合物在弯曲载荷下会直接断裂？

然后我们再来分析题主提供的这个现象。

现象分析

题主提及的“折弯”，指的是对材料施加弯曲负荷；受到弯曲作用的材料其细节如下图所示。

通过上图我们意识到，对材料施加弯曲负荷之后，材料向外凸出的一面（即上图中的上表面）将受到一个朝向两侧（即弯曲方向）的拉伸作用；而向内凹入的一面（即上图中的下表面）则会受到挤压作用。而这个拉伸作用和挤压作用在材料体内部则是连续变化的。于是乎，必然在材料中存在某一面，位于该面的材料既不受到拉伸作用、也不受到压缩作用，该面称为该材料在受到该给定弯曲载荷情况下的中性面，在上图中用细虚线表示。

一般来说，材料的压缩强度要（远）大于拉伸强度，所以断裂往往发生在受到拉伸作用的一面上；而根据材料体内部的应力分布，可以认为发生断裂的点是在其应力最集中的点，亦即折弯点。

因此，弯曲断裂的这个情况便可以被约减为一种材料的拉伸断裂。

而断裂是材料学的一个非常重要的知识点，不同的材料因其微观本质不同（比如以离子键结合的陶瓷，以金属键结合的金属 ，和以物理缠结结合的聚合物），其发生断裂的机理也截然不同。所以我们接下来也会按照刚才我将问题分解的结果进行顺序作答。

金属的弯曲~延性断裂

金属是由金属晶体组成的，晶体里的原子都按照特定方式堆积。

晶体内则是驳杂的线条，称为“位错”。位错是晶体内部的瑕疵，表示原子偏离了原本完美的构造。虽然位错听起来很糟糕，但其实大有用处，这是因为完美的晶体自身是不可能拥有延展性的，而正是位错让金属能够改变形状。

当我们在折弯金属丝时，就是把金属晶体弄弯。要是晶体不弯，金属丝就会像木棍一样碎裂折断。金属的可塑性来自位错在晶体内的移动。位错移动会带着微量的这种物质以超音速从晶体的一侧移向另一侧。而事实上当我们在折弯金属的时候，里面有将近100,000,000,000,000个位错以每秒数千米的速度移动。虽然每个位错只移动一小块晶体（相当于一个原子面），但已经足以让晶体成为超级可塑性的物质，而非易碎的岩石了。

金属的熔点代表晶体内金属键的强度，也代表位错容不容易移动。铅的熔点不高，因此位错容易移动，这使得铅非常柔软。铜的熔点较高，因此也比较坚硬。加热会让位错移动，重新排列组合，结果之一就是让金属变得柔软。

但是，当然，再软的金属你拉得太过分还是会断裂的。这种在断裂前先发生塑性形变的断裂被称为延性断裂，通常会留下粗糙不规则的断口。

其塑性形变在直观上体现为被拉长并且截面变细，称为颈缩。常温下的金、铅，及高温的其他金属、部分聚合物，延性高，受拉伸时颈缩成一点才断裂，面积收缩百分比近乎100% 。

合金~脆性断裂

若是一种金属中存在其他种金属原子，这便构成了合金，而合金往往比纯金属坚硬。

原因很简单，外来原子的大小和化学性质，都跟原本的金属原子不同，因此嵌入后会扰动原本金属晶体的物理和电子结构，产生一个关键后果——位错更难移动。位错更难移动，晶体形状就更难改变，金属也就更坚硬。因此制造合金就成为防止位错移动的一门技艺。

坚硬的金属不倾向于发生弯曲，而是直接断裂，这种与延性断裂相对应的断裂方式就是脆性断裂，简称脆断，是指材料未有明显的塑性形变而断裂的现象。除了合金之外，玻璃、陶瓷的断裂也属于典型的脆性断裂。

脆性断裂发生前无宏观塑性变形，几乎没有预兆，并且发展很迅速，一旦开裂，裂纹会迅速扩展，通常还会产生很多碎片，因而脆性断裂很容易造成突发严重事故。

脆性断裂与延性断裂的另一个显著区别在于端口往往十分整齐。

通过活塞杆的宏观形貌可以发现，该断裂发生在螺纹根部，断面与活塞杆轴向垂直，断口平整光滑，未见疲劳痕迹，也无明显的放射线及宏观塑性变形，但可见到剪切唇，因此该断裂属于脆性断裂。

聚合物~脆韧转变温度

区别于以金属晶体为基本结构的金属，聚合物最大的特点在于其分子呈长链状，驱于熵倾向，其微观模型为无规线团模型。而区别于金属的能弹性基础，聚合物的弹性来自于熵弹性。

所谓金属的能弹性，指的是在对金属（比如金属弹簧）进行压缩时，压力做功在金属的弹性下储存在弹性势能之中，而在解除压力后，弹性势能转变为动能，将能量重新释放出来；这整个过程遵从Hooke弹性定律。

而对于以无规线团为基础模型的聚合物，其在受到外应力后，分子链会被拉伸、变直。随着分子链变直，分子链作为一个系综的微状态数变小，导致熵降低，在解除外力后，驱于熵增的自发性，分子链自发蜷缩会原始状态，驱动材料体发生形变回复。

因此直接的结果是，对于聚合物，环境的温度越高，材料的弹性模量反倒上升（金属会下降，因为位错运动加速）。

这种熵弹性导致聚合物对于外力的相应同时受到环境温度和外力的施加速度两方面影响。这在材料自身性质上体现为：

关于温度：对于一给定的聚合物材料，存在玻璃化转变温度和脆韧转变温度两个重要指标；

关于外力速度：对于聚合物材料，其力学响应存在一个松弛过程，并有一个确定的应力松弛时间。

而我们今天讨论的问题，主要和脆韧转变温度有关。

聚合物的脆韧转变温度指的是，对于一种确定的聚合物，有这样一个温度：当环境与材料达成热平衡时，环境温度低于该温度值时，材料的聚合物链运动被冻结，因而整体力学性能体现为脆性；而当温度高于该温度时，整体力学性能体现为韧性。

所以说材料的脆韧转变温度与室温的关系也就决定了某种聚合物材料在我们日常生活中常常以什么样的身份出现在我们面前了。

另外，除了材料的脆韧转变以外，聚合物材料的老化也会导致材料脆化，而这种脆化有时候会导致非常严重的后果。比如对于轮胎业来说，轮胎的老化程度直接关系到司机的生命安全。

以上。

另感谢 @孙尉翔老师的指正补充（我做了一点点关于希腊字母以及斜体、粗体的编辑）：

应该跟塑料比而不是橡胶，所以熵弹性还不是主要的。

塑料材料常常是半晶或非晶的，使用温度在其玻璃化温度以下，非晶区是玻璃态。玻璃化的是指α松弛时间的发散。对于小分子玻璃，α松弛事件发生不了，就只剩下β松弛了，即分子的邻域运动。而高分子有着丰富的次级松弛，β、γ……都有对应的运动。只有这些运动也冻结了，才会真正地变脆。因此塑料的脆韧转变（如果有的话）是在其玻璃化温度以下的。韧的塑料耐冲击（i.e.抗冲，不会一摔就碎），可冷拉（i.e.即屈服后的塑性形变部分比较绵长）。结晶是没这种好处的。

橡胶材料的使用温度是在其玻璃化温度以上，不交联的话是流体。其高弹性（熵弹性）是远在失效之前的性质。随着拉伸度的增加，其响应偏离熵弹性的程度也会增加，一是很多链近乎拉直无法再拉长（这是共价键的贡献不是构象熵），二是拉伸诱导取向或结晶（这是分子间力的贡献也不是熵）。最后的失效是共价键断裂。在失效附近也没有什么熵弹性了。

老化分为物理老化和化学老化。橡胶老化发粘是因为氧化降解产生了很多含氧的极性基团，变脆大部分也是因为光照交联效应而增加了交联度。这些都属于化学反应。就算不发生化学反应，非晶材料的“物理老化”也会使材料变脆。这里发生的是非晶区的链段在长时间尺度还是能运动，因此部分增加有序度和结晶度，次级转变能力变低了，而前面说了次级转变是非晶高分子材料韧性的关键。