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极寒环境中铁制品会不会像常温下的玻璃一样脆? 第1页

  

user avatar   jiehou1993 网友的相关建议: 
      

这个问题还真不是一两句话能讲清楚的。不过俗话怎么说的来着,一图胜千言,好在我图多。

先简单的说,常温下韧性很好的钢材,在低温下确实可能变得很脆。所以在南方能正常使用的钢材,拿到北方很可能就不能用了。

这种低温脆性多见于铁素体钢、马氏体钢。奥氏体钢产生低温脆性的情况较少。


我们先介绍几个基本概念:

首先要明确,材料的脆/韧性,是指它通过塑性变形吸收冲击能量的能力。而能量≈力×变形距离。

在微观尺度上,大块原子的滑动变形很难,但可以借助一种叫“位错(dislocation)”的晶体缺陷,通过局部滑动来一步步完成整体变形:

所以,材料的脆/韧性,很大程度上取决于“位错”滑动的难易程度。上图中的位错称为刃位错,因其核心区域多出来半列原子就像一个刀刃插在材料中。其中,滑移与未滑移的交界线,我们称为位错线(dislocation line)。

除了刃位错,还有一种基本位错类型,称为螺位错。沿着位错线方向绕一圈原子就滑移一格,如螺旋线一般:



那么,为什么铁素体、马氏体钢有低温脆性,奥氏体钢却一般没有呢?这是因为在原子排列方式上,铁素体、马氏体钢与奥氏体钢并不一样:

铁素体、马氏体钢中的Fe原子是以体心结构排列的,而奥氏体则是面心结构。

bcc金属中的螺位错比较特殊。由于在bcc金属的密排方向上,原子本身也是呈现螺旋状排列的。因此当存在螺位错时,两个螺旋要么叠加,要么抵消,也就带来了两种不同的能量状态。

因此当螺位错尝试滑移时,能量高的位置就成了滑移的阻碍,导致这类位错较难开动,很容易成为变形的主要瓶颈。

因此,bcc金属中螺位错的位错线并不是整体一块滑移的,而是一小段一小段滑移的:

https://www.zhihu.com/video/960670374258712576

也就是说,螺位错要先产生一对扭折(kink pair),然后扭折不断扩大,导致整个位错线的移动。

产生这对扭折的过程,是通过热涨落来激活的。

没有足够的温度,就不能有效的产生扭折,螺位错就滑动不了。于是bcc金属就难以产生塑性变形,不能有效的吸收冲击能量,宏观上就体现为低温脆性。


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