为什么物体的尺度越小而强度却越大
材料强度的尺度效应不能一概而论,但是一般来讲来讲,材料尺度对它的强度有很大的影响,而材料的尺度又包含宏观尺度和微观尺度,宏观尺度包含材料的几何形状的尺度,长、宽、高、缺口的大小等等,微观尺度包括多晶材料的晶粒(grain)大小,结构材料的单元(Representatice volume cell)的尺度等。我们先将讨论的范围缩小到只考虑宏观的尺度,只考虑各向同性材料。这样通常来讲,理想的各相同性材料没有尺度效应,材料的强度应该是不随大小改变。原因的话我们先从什么决定材料的强度来说起。首先定义下强度:强度是指材料在失效前能承受的最大应力,理想材料内部没有缺陷,所以强度作为材料的固有属性是不会变的,但是为什么在实际工程材料中,强度为什么会存在尺度效应呢?这是因为材料不可能完美,总是会有缺陷,而这种在内部结构的缺陷源于材料的制造过程,很明显这些缺陷会随着材料的大小而改变。另外这些缺陷的位置也有很大的随机性,所以材料尺度越小,有缺陷的机会会少,或者这些缺陷的数目也少,从而强度越大。那也许你会问了,那如果我们把材料做到纳米尺度,是不是材料强度就很高?答案当然是的。加州理工有个组(Dr. Julia Greer) 就做了这样的事情,他们的成果近几年都陆续发表在nature,science上。他们做的很简单,就是将陶瓷做到纳米尺度(5 nm左右),而且材料属于结构材料,这样大大提高了材料的强度和其他性能!他们能成功的一个重要原因便是小尺度使得材料接近完美。
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