为什么晶粒越细，强度越高，金属的塑性和韧性越好？
不容易？材料学
9?人们同意。
我可以自觉回答这个问题。我不想来，知乎的第一部小说。不要自作聪明，描述不专业求拍拍> & lt
很多人提到这种效应在纳米范围内不成立，因为纳米材料使用的模型和传统材料使用的模型不一样。对于物质问题，大部分都提出了合理的模型，可以解释问题的现象，所以不同的模型无法相互比较。对于传统金属材料，它由小晶粒组成:
上图分别是三维和二维晶粒示意图。细晶粒是指这些晶粒小，形状和大小均匀。
但是，晶粒中不可避免地会出现一些缺陷。这些缺陷包括肉眼看不见的微小裂纹、位错等。(因为和这个问题最相关，所以作为两个比喻来提)。裂缝很好理解，位错的解释会告诉你一个故事:
这是英国的193年。在伦敦的牛津大学，弗兰克尔先生正在研究他的材料变形模型。他说物质中的原子平面一起运动。大家把手放在一起(两排原子平面)，在一起摩擦的时候(两排原子平面中原子之间的键全部一起断了)，原子平面互相移动，材料就变形了。这时，我的同桌大搞笑男生泰勒站起来说，老师，你话真多！
那告诉我怎么回事。泰勒:老师，你不能在地板上拖地毯，但是如果我在地毯中间穿一根竹竿，把地毯做成拱形，稍微移动一下拱形，把拱形从一边移动到另一边，就相当于移动了地毯。
这就是著名的地毯模型，材料中的这个拱就是位错，也就是上下两层原子的位错。
其中每个晶格代表一个原子。
让我们言归正传。当材料受力到一定程度时，材料中的位错就会移动，位错源开始产生位错，相应的材料就会发生塑性变形。这种现象叫屈服，就是材料软了。当力达到一定程度时，材料中会出现微裂纹或者已有的微裂纹会扩大，即裂纹增长变长变大，裂纹过大则材料断裂。
所谓塑性是指材料塑性变形的能力，简单直白的理解就是材料在断裂前的塑性变形量。因此，如果材料中的微裂纹扩展过快，材料的断裂速度会更快，塑性会更差。强度是指材料抵抗变形的能力，强度高的材料不容易变形(材料在加很多力的时候会弯曲一点)。一般来说，在工业上，强度越高，塑性越差，但是强度和塑性并不是一一对应的。
接下来我就说说细纹为什么能提高强度和塑性，最后说重点。累死了~ ~。
晶粒中的位错会在晶界处积累，同时，积累的位错会放大应力。它们积累得越多，放大倍数就越大:
晶粒尺寸越大，可以捕获的位错就越多，这就容易在晶界上产生很大的应力。晶界处的应力促使下一个晶粒中的位错源开始产生位错诱发形变转移(位错源开始位错所需的力大于位错运动所需的力)。晶粒越小，俘获的位错越少，应力放大倍数就越小，所以需要加更多的力来启动下一个晶粒的位错源(比如启动下一个晶粒的位错所需的力是10，大晶粒引起的位错累积的放大倍数是10，那么你需要加的应力是1，小晶粒的放大倍数是5， 那么你需要的就是总结，细化晶粒使得材料更难变形，强度更大。
细晶对塑性的影响有很多原因。1)晶粒细化后，晶界面积增大，晶界上偏析产生的夹杂物相对减少，界面结合力增大，塑性提高。2)界面阻碍微裂纹的运动。如上所述，微裂纹生长越快，材料就越容易断裂，塑性就越差。对于裂纹来说，晶界相当于一堵墙，裂纹很难穿过。现在墙多了，裂缝自然会慢慢扩散，材料也不容易断裂。3)由于材料的晶粒细小均匀，材料中的塑性变形均匀(试想材料中的晶粒有大有小，自然大晶粒引起的塑性变形就大)，减少了变形大集中引起的微裂纹的形成，促使材料在断裂前承受更多的整体塑性变形(即阻碍了微裂纹的形成)。
这就是对这个问题的解释。事实上，材料的强度和塑性与很多问题有关，这里排除其他影响，只讨论晶粒尺寸的影响。
第一次可能逻辑不太清楚。这个问题有点专业，估计没人关注，难过。。
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虽然没人看，我还是更新一下吧。最近看到一篇关于纳米范围细晶强化失败的报道:
近日，前沿所王昭老师的研究组最近在NanoLetters(影响因子13.592)上发表论文，试图给出答案:当材料的尺寸下降到10 nm以下时，由于表面能的变化，原子扩散会迅速增加，而正是这种微扩散，使得材料的力学性质发生了巨大的变化，甚至打破了多年来深信不疑的殿堂。这些结果使得解释纳米材料的“更小、更弱”现象成为可能。本文通过Zener-Hollomon分析，深入探讨了微接触强度S、尺度L、温度T和应变率R之间的关系，给出了新的模型，为后续的实验研究奠定了一定的物理基础。有兴趣了解更多的可以下载看看。
编辑于2015-10-15？收起评论？谢了？
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芝士庙
其实只要你继续贡献专业的答案，迟早会被发现的。看小猪神。
1年前
不容易做到无动于衷(作者)？回复？芝喵检查对话
谢谢你的鼓励。我也可以分享我的知识和见解。
1年前
范博文
答案很好理解。我以前学过材料科学。我想再问一个问题，原组织中大角度晶界的存在是否能促进塑性变形中的晶粒细化。还是说晶粒越细，大角度晶界就会越多？
10个月前
更多答案
同意反对，你的名字就不显示了。
知乎用户？学习者
包含在？编辑推荐42？人们同意。
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20160405补充，既然是问题本身，放在开头:
难怪有人问‘为什么’而不是‘不是吗’；很多人也是按照‘是’的思路在回答。前天和弟弟讨论，他真的找到了源头:细晶不仅提高了多晶体的强度，还提高了它的塑性和韧性。晶粒越细，单位体积的晶粒越多，同样的变形量在变形过程中可以分散成更多的晶粒，产生更均匀的变形，而不会引起局部应力的过度集中和裂纹的过早产生和发展。......
P572材料科学基础，于永宁，2006
另外有人提到了细晶的晶界滑移，有点说不清楚。晶界滑移(GBS)的条件是扩散，当温度没有达到一定高度时，GBS的贡献很小。其主要用途是超塑性，但超塑性的前提是高温。这不是一个有平时表现的话题。超塑性涉及的“强度”是高温下的流动应力，题目中的强度是室温下的抗拉强度。
1.用一句话概括它的论点:小提琴拉得好，交响乐就好。
2.这个论点错了吗？没错。小提琴拉得好，确实在一定程度上提高了交响乐的传播效果。但这还不是全部。甚至不是主要部分。
3.但是，知识是分阶段的，每个阶段都是建立在前一个阶段的基础上的。Made it stick说过，不同的学习阶段有不同阶段的知识图式，也就是能为自己所用的知识流。基础基础，不能全谈。如果展开的话，即使是3000页的物理冶金学，也不可能详细到任何一章。
4.下面我就说说除了小提琴以外的钢琴和管弦乐器。整个交响乐最后是好是坏，都是通过数据来判断的。
补充完成。
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原文如下:
别搞混了，力量和可塑性从来都是相互排斥的，这是大趋势。没有特殊结构的支撑，细晶的塑性相对于粗晶有所降低，塑性大大降低到纳米级。
王艳，陈敏，周峰，等.纳米结构金属的高拉伸塑性[J].材料科学，2002 .自然，2002，419(6910):912-915。
要了解强度和塑性的关系，就要深入分析这两个指标。
1，实力。总的来说，惠普的关系非常好。
强度的原因不仅仅是晶界，也是一些障碍和位错的主要来源。位错密度的根决定了材料的强度。单位体积的晶界面积越大，单位变形的位错越多，强度越高。
2.可塑性。通常与加工硬化有关。可以保持硬化能力，即变形增加，强化增加，这样由于变形而局部变薄的区域强度会因为大变形而增加更多，从而弥补了变薄带来的承载力低的问题，使试样各段载荷接近，变形继续，从而可以更好地保持塑性。硬化能力与晶粒尺寸成反比。有关详细说明和模型，请参见。
Marc Andremeyers的《材料的机械性能》，Krishan Kumachawla的《加工硬化》一节。
对于错位，因为人太多，车厢就成了闷罐车，挤不进去。因此，除非有其他机制允许局部区域在瘦身开始时硬化，否则以瘦身开始的颈缩必然导致少量变形内的断裂。伸长率低是不可避免的。
3.综上所述，一般情况下，强度和塑性是注定要有所取舍的，这一点已经被多年的实践和理论所证明。60年前由H-P关系衍生出的许多话题之所以还能经常与科学和自然联系在一起，是因为有人在不断地试图找到一个“不寻常”的条件，从而实现两者的“同时”提高。不过请注意，这两种都是可以同时实现的，但都发表在Mat高级及以上的nature子期刊上，而且大部分都不仅仅可以用“细晶”两个字来概括，还包含了特殊的微观结构。所以简单来说，细纹可以同时提高强度和塑性，这只是本科的水平。另外，我们现在可以举出双高的例子，大部分都是在恶劣的条件下来到实验室的。有多少实际生产的例子可以跨越这种“不平凡”需要现场工作者努力思考。
另外，请思考一下，在“不寻常”的情况下，两者的互斥关系是否真的已经消除了(这个问题我也思考了一段时间)。这个问题是否应该是一个应该先问“是”，再问“为什么”的问题。
1和高的参照系是什么？这个标准一定要明确，否则浑水摸鱼的人会混淆视听，写在纸上，让人摸不着头脑却又看不懂。双高的严格结论需要一个严格的对比前提。比如细晶和粗晶相比，两者的其他参数必须在同一起跑线上，只有一个参数，晶界比例。如果是这样，至少我做的数据得出的结论是，粗晶粒的延伸率高。我看的所有论文和专著也都支持互斥结论。任何读过双倍高度且只有一个变量的论文的人，请提高粒度，我们将讨论它。
2、细晶双高=开小灶。如果在细晶化的同时加入其他变量，可以双高。误以为双高而没有察觉到造假是可以理解的。
3、多通道双高。下面会提到很多双高的结果，有兴趣的朋友可以琢磨一下这个双高是因为细晶还是其他原因造成的。只需要注意，微观结构影响性能，晶界比例只是包括晶粒尺寸、晶粒尺寸分布、晶界性能、第二相体积分数、形貌和性能等一系列微观结构中的一个小点。
补充给从学术角度看这个问题的朋友:
有什么办法可以达到双高？
是的，虽然它不是一个完全成熟的系统。
1，要明白影响强度和塑性的因素看似互斥，实则有其他关系。
强化需要错位固定；可塑性要求位错容易移动。
然而，这种轻松的运动是表面现象。实际延性所要求的，当然不是单个位错的自由运动，而是整个样品中位错运动的“易动和同时运动”。如果这种联动不容易理解的话，想象一下成百上千的人在排队等公交车。如果大家都能自觉排队，有序高效移动，大家很快就能上车。相反，如果前面一些人一起挤到门口，车门被堵住，没有人能顺利上车，后面的人也没有机会往前走，更不用说就上车了。在这里，后面的人因为没有机会锻炼，做不到整体可塑性所要求的“轻松动作”，所携带的可塑性还没上台就挂了，这是一种浪费。最简单的理解就是一颗老鼠屎坏了一锅粥。所以要保证整体的可塑性，不能允许局部“拥挤”，不能有老鼠屎。我们做什么呢平分。我们必须尽力把材料的伸长均匀地分布到每一个地方，每一粒，每一个更精细的单元。千里大堤毁于蚁穴是肯定的，可塑性的意义在于蚁穴的萌发到大堤的坍塌。我们要做的就是减缓洞穴的扩张，延缓坍塌，让伤员慢慢死去，虽然他们肯定会死。
无效方案:简单1，溶质；；2、沉淀；3、粒度。这些因素往往会阻碍错位。就像用夯锤敲打大堤的土方，加强了大堤的强度。但是，如果形成了巢穴，即使是随机的，这种强化也是无力修复巢穴的。而且矩阵越强，一旦出现漏洞，基本上就会加速漏洞的扩大，崩溃是一个非常快的过程。所以强化基质并不能延缓基质受损后的抗腐能力，这是两码事。
2，如果想身高翻倍，可塑性是难点。如果你想要塑性，你需要平均分担变形。为了均匀分布变形，需要有一个机制:当有局部蚁巢的迹象时，上去堵住正在萌芽的小洞。这个洞被堵住了，但是总体来说伤害(材料伸长)必然是逐渐增加的，所以让这些伤害分散开，每个部分会以更小的剂量分布到其他地方，防止所有的伤害都集中在这里造成快速崩溃，浪费其他区域的抵抗力。剂量越小，分担的点数越多，分担的越平均，每个人都承担了自己应该承担的伤害，整体上发挥了自己的可塑性。这是良好的可塑性。实现这种损伤分担的核心指标是应变硬化，即加工硬化。你打他，他会变强，伤害总是欺软怕硬，从而强行把伤害转移到其他区域。同时，所有区域受伤一次，大家都得到了一轮七伤拳，身体得到了强化。当然，即将到来的伤害的强度变得更糟。
伤害与挣扎，再来一遍。
纯细纹必须伤害应变，加工硬化，因为细纹限制了伤害的攻击，就像在笼子里，连自己都伤不到，拳头也打不开。身体不被打击，就不会被强化。如果不加强，就没有足够的抵抗力。它只能等着损伤崩溃，可塑性自然不好。所以我说细晶有高有低是不对的，这是民科水平。老师这么说只是因为你还在本科阶段；在博士阶段，没有老师会告诉你这些。如果老师这样说，只能说明老师不看书，不看文件。
如果能达到双高，就必须在笼子里实现自伤，才能做好系统伤害的准备。我们做什么呢手脚都打不过自己，空间狭小。也很简单。用按摩器，电棍，电烙铁，起搏器，活塞锤，任何不受空间限制的东西打自己就行了。
具体来说，就是在变形时在基质中植入足够的加工硬化组织或结构，在损伤猛烈袭来的同时不断敲打自己，试图与市场平起平坐(落后就挂)。现在有效的，至少是报道的，好像是有效的:科学，硬质金属间化合物，比如B2(自然，浦项)，双峰晶粒(大的负责塑性，小的负责强度，自然，约翰霍普金斯)，这些都是理论上可行的，至少大拇指做出来的东西是可行的，虽然生产实际产品大多不可行或者大打折扣。知道尺寸效应也很重要。
另外需要明确区分，工业化生产和实验室研究有明显区别。至少根据我的数据经验，非凡的性能永远是生产中的二等追求，合格才是一等。
编辑于2016-10-02？31评论？谢了？
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坚持自己的内心？机械工程
2?人们同意。
金属是由许多晶粒组成的多晶体。晶粒的大小可以用单位体积的晶粒数来表示。数字越多，晶粒越细。细晶金属在室温下比粗晶金属具有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶的塑性变形在受到外力时可以分散在更多的晶粒中，塑性变形均匀，应力集中小；另外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，不利于裂纹扩展。因此，通过细化晶粒来提高材料强度的方法，在工业上将成为细晶强化。
室温下，晶界的强度和硬度大于晶内，晶粒细化后晶界增多，势必对材料的强度和硬度起到一定的提高作用。塑性变形过程伴随着位错运动。晶界会阻碍位错运动。晶粒越细，晶界越多，对位错运动的阻碍越强。许多位错在晶界处聚集，形成位错网和位错墙，给材料的进一步变形带来更大的困难。材料的可塑性也会相应提高。
？——转自知乎