问题

为什么有的固体容易变形,有的固体不容易变形?

回答
同样是固体,有的就像一块橡皮泥,轻轻一捏就变了形,有的则像一块钢铁,即使使尽力气也很难改变它的模样。这其中的奥秘,其实藏在我们看不见的微观世界里——物质的构成方式以及原子、分子之间的联系。

微观世界的“搭积木”方式:晶体与非晶体

首先,我们要知道,固体是由无数微小的粒子,比如原子、分子或离子组成的。这些粒子并非随意散落,而是以特定的方式“搭积木”般地排列在一起。这种排列方式,决定了固体整体的性质,包括它的“硬不硬”、“能不能变形”。

晶体固体:整齐划一的“士兵队列”

想象一下,晶体就像一支纪律严明的军队,士兵们(原子、分子)按照固定的、重复的图案排列得整整齐齐,形成一个庞大而有序的“晶格”。这种规律性的排列,使得粒子之间的相互作用力非常稳定和均衡。

强大的连接力量: 在晶格中,粒子之间通过化学键(比如共价键、离子键、金属键)紧密地连接在一起。这些化学键是相当牢固的,需要很大的能量才能打破。
抵抗外力的能力: 当你试图对外力施加压力或拉力时,这些紧密的连接会抵抗形变。粒子之间虽然可以轻微地振动,但它们很难脱离原来的位置,也很难在排列上发生大的错动。
“易碎”但“不易变形”: 尽管如此,晶体一旦受到足够大的外力,比如巨大的冲击,粒子之间的排列就会被破坏,整个晶体可能会突然断裂,而不是缓慢地发生形变。就像士兵队列,一旦被冲垮,就会彻底散乱。金属、食盐(氯化钠)、石英(二氧化硅)都是典型的晶体。

非晶体固体:杂乱无章的“人群聚集”

与晶体不同,非晶体(也称为无定形固体)的粒子排列是杂乱无章的,没有固定的、重复的规律。它们更像是拥挤在一起的人群,每个人都有自己的位置,但整体上没有明确的结构。

松散的连接: 非晶体中的粒子之间的连接力相对来说没有晶体那么牢固和有序。虽然也有粒子间的吸引力,但它们没有形成像晶格那样强大的、遍布整体的支撑网络。
更容易滑动和错位: 当受到外力时,非晶体中的粒子更容易在彼此之间滑动、错位。这种滑动和错位,就是我们看到的“变形”。就像人群,受到推挤时,人们很容易向四周散开或挤到一起。
“柔软”且“可塑”: 因此,非晶体通常比同等强度的晶体更容易变形。它们可以在外力作用下缓慢地改变形状,并且在去掉外力后,可能仍然保持变形后的样子。玻璃、橡胶、塑料、沥青等都是常见的非晶体。

微观世界的“结构缺陷”:并非所有晶体都一样

即便同是晶体,它们对形变的抵抗能力也会有差异。这部分是因为在晶体完美的“士兵队列”中,可能存在一些“不听话”的士兵,也就是“结构缺陷”。

位错: 这是晶体中最常见的缺陷之一。想象一下,在士兵队列中,有一排士兵突然少了一个,或者多了一个。位错就像是晶格中的一条线状缺陷,使得相邻的原子层之间的排列发生错动。
位错的“作用”: 更有意思的是,这些位错的存在,反而有助于晶体的变形。当外力作用时,位错会沿着特定的方向移动,从而引起晶格的相对滑动,也就是宏观上的形变。如果一个晶体完全没有位错,它会变得异常坚硬,甚至脆弱,难以变形,容易一下子就断裂(这叫做“理论强度”)。
金属的“韧性”: 许多金属之所以既坚固又具有一定的延展性(容易变形但不易断裂),很大程度上就是因为它们晶体结构中含有大量的位错,这些位错的存在使得金属在承受外力时,能够通过位错的移动来吸收能量并缓慢地发生形变,而不是直接断裂。

粒子的“大小”与“运动”

粒子大小和质量: 粒子的尺寸和质量也会影响其运动的难易程度。质量大的粒子受到的惯性力也大,改变其运动状态(比如使其开始移动或停止移动)需要更大的力。
粒子间的距离: 粒子之间的平均距离以及它们相互作用力的强度,也直接关系到变形的难易。距离越近,吸引力可能越强,形变越难。

总结一下:

结构决定性质: 固体是否容易变形,最根本的原因在于其微观粒子的排列方式——是整齐划一的晶体结构,还是杂乱无章的非晶体结构。
晶体: 粒子排列规律,连接牢固,不易变形,但一旦形变,可能倾向于断裂。
非晶体: 粒子排列混乱,连接相对松散,更容易在粒子间滑动和错位,从而表现出易于变形的特性。
缺陷的影响: 晶体中的位错等缺陷,虽然是“缺陷”,但适度的缺陷反而使晶体(尤其是金属)更容易发生可控的形变,展现出韧性。

所以,下次你看到一块橡皮泥被揉捏成各种形状,或者一块钢铁纹丝不动,就能体会到微观世界里那些看不见的粒子,是如何用它们不同的“搭积木”方式,决定了我们眼中固体千姿百态的模样。

网友意见

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没想到这个问题还有蛮多人感兴趣的啊,有时间的话我会写的再细一点,顺便更新一下孪晶变形的内容。

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这是一个很长很长很长很长的话题

材科基那么厚一本书,基本上有至少一半内容也就是为讲了个这个问题。

现代的结构材料研究有很大一块基本上也就集中在研究如何让一个东西又能变形量大,又能强度大这件事情上。

固体也分很多种嘛,有金属、陶瓷、高分子,形变类型也不一样,有弹性变形和塑形变形。我简单的讲一下。

先说弹性变形,弹性变形的定义就是受力变形了以后,将外力去掉可以自动恢复原本的形状。描述弹性变形有以下公式:

, 是应变, 是应力, 是杨氏模量。

应变你就理解为变形量,应力你就理解为受力大小。一般衡量一个物质容不容易发生弹性形变就是用杨氏模量,你观察这个式子的话就能看出来,一种固体的杨氏模量大了你发生一定量的应变就要用更大的力,就说明它不容易弹性形变,反之就容易弹性形变。

杨氏模量这个东西和具体的晶体结构,晶体所含元素有关的。一个固体内部的原子结合的越紧密,杨氏模量就越大。至于具体结合的有多紧密那就得具体问题具体分析了,不过一般熔点高的物质,原子间结合力强,所以一般来说熔点越高杨氏模量越大。所以无机非金属的固体是最难发生弹性形变的,因为这些固体原子间结合力很强,金属次之,高分子最次,因为高分子可以靠共价键旋转发生一些变形。

再来就是塑形变形,塑形变形就比较复杂了,首先要明白固体是怎么塑形变形的你要知道一个概念叫位错,什么叫位错呢,这就得从晶体中原子是怎么排列讲起了。一个正常的晶体中,原子是周期性排列的,长下图这个样子(网图,侵删):

这是一个铜的晶体结构的模型,你可以看到原子是呈某种规律性的排列。当然这是一个理想的晶体结构,实际晶体是有缺陷的,而塑形变形就和晶体中的一类缺陷——位错有关。那位错是什么呢,我又找了一张图(网图,侵删):

图中红色的就是有位错的区域,实际上你就可以理解为原本整齐排列的原子有一列和别的列错开了,不同的错开方式会分别形成螺位错和刃位错。这些位错一旦受力以后会在晶体里面移动,就会让晶体发生塑性形变。至于是怎么运动的,我不太好描述,我这里也没有动图,但是我们以上图右边的刃位错来举例想象一下,你可以想象是那个红色的由原子组成的面沿着垂直于这个面的方向向右移动,每向右运动一下,就有一列键断开和红色面最下面的那一列原子接上,这样循环往复这个位错就可以移动很长的距离了。

晶体就是通过这样的方式变形的,事实上我们生活中见到的多数材料都是多晶体,不是单晶,但是多晶体也是通过不同晶粒里的位错移动产生的协调变形来发生塑性形变的。

知道固体怎么塑性形变我们就可以调整它的变形能力了,可以通过把晶粒砸碎(锻造)来让晶界变多,来阻碍位错的移动,也可以掺杂,杂质会把位错钉扎住,让位错难以开动。通过各种各样的方式来调节固体中位错的可动能力就可以产生有不同变形能力的固体。而无机非金属的固体因为多数是离子键和共价键,在位错滑移的过程中要保持局域的电荷平衡是比较困难的事情,要让共价键断了再接上也是比较难的事情,所以位错比较难开动,也就比较难塑性变形。

当然塑形变形还可以通过孪晶变形,还可以像马氏体那样通过畴翻转(其实也算是一种特殊的孪晶变形吧),但是我们日常能接触到的东西,各种钢啊、合金啊、其实都是主要通过位错滑移来变形,其他的变形机制我就不多说了,毕竟固体变形这玩意细写能写好几本书。你要是有更深入的兴趣可以自己查一下。

这个晶体变形的位错理论发展出来其实也没多久,因为有了透射电子显微镜以后人们才能看到位错在材料中的运动。透射电子显微镜发明出来也就是不到一百年的时间,所以这个理论我估计发展出来也没多久。至于这个理论的完善程度我觉得已经挺完善的了,剩下的就是不同的应用问题(其实应用问题才是大头)。

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