坚硬的,为什么有的硬的东西容易碎？

这个问题首先得明确下“硬”的概念。学术上坚硬的，或者说科学上的“硬”，与我们日常生活中的“硬”表达的意思完全不一样。下面，我来详细讨论下。

1、“硬”的定义

日常生活中，我们觉得钢铁比棉花硬，也比木头硬。我们有这样的感觉，是基于我们对这三种材料施加力后，从材料的变形特征，总结出来的。因此，日常生活中所说的“硬”，其实指的是材料的刚度，即抗变形的能力，力学上用弹性模量来衡量。

实际上，在材料科学上，“硬”有它自己的定义，通常用硬度来表示，指的是材料局部抵抗硬物侵入表面的能力。硬度的测量根据不同的方式，有好几种：洛氏硬度、维氏硬度、布氏硬度、努氏硬度等。下图为洛氏硬度原理图，施加指定大小的力，在不同的材料上就会出现不同的刻痕，根据刻痕的大小，来确定硬度的值。

由此可见，材料学上的硬度，针对的是材料表面的一种性能。而日常生活中的硬度，针对的是材料整体的力学性能。

2、硬而脆的现象

根据材料学上的硬度定义，指的是抵抗外物局部侵入的能力。外物的侵入，首先是从变形开始，然后挤压破坏。在开始阶段要首先发生变形，这与日常生活中的硬度（力学上的刚度）有所联系。所以，通常来讲，刚度大的物体，其表面硬度也大。

为了说明脆的问题，我们先要了解下材料的应力应变曲线，如上图。脆指的是材料发生断裂破坏，这与应力应变曲线围成的面积有关。这个面积力学上称之为应变能密度，就是单位体积内，材料发生断裂的能量。所以，“脆”与这个应变能密度息息相关。

假如存在两种材料，应力应变曲线如上图。其中围成面积大的（红色曲线），必然不那么脆，因为想要发生断裂，需要的能量更多。而另一根黄色曲线，围成的面积相对就小很多，也就意味着黄色曲线代表的材料更加容易破坏。

对比这两根曲线，我们发现一个很奇妙的现象：黄色围成面积小，即易破坏，但是弹性模量大，即刚度大。红色围成面积大，即不易破坏，但是弹性模量小，即刚度小。大多数材料都是如此。

3、硬而脆的解释

绝大多数材料都是硬而脆，这是一种宏观现象，尽管我们可以用力学的方法，找到相关的力学参数的不同。但是，仍然缺乏一种更加本质的解释。

我们都知道，材料的力学特性随温度发生变化。高温状态下，偏韧性。低温状态下，偏脆性。在应力应变曲线上，就如图上图的红色和黄色曲线。即低温时，弹性模量大，刚度大，但是面积小易碎。高温时，弹性模量小，刚度小，但是面积大，不易碎。

我们虽然无法定量的解释这种情况，但是从高低温的应力应变曲线，可以对这种硬而脆给出一个定性的解释。即：硬的物体由于刚度大，难以发生变形，但是其变形响应时间缺较短，从晶体结构层面，晶界会发生振荡，造成材料更加容易被破坏。而硬度小的物体，由于刚度小，变形很容易发生，但是变形响应时间慢，晶界的振荡有足够的时间来协调，从而不易发生破坏。

举一个通俗的例子，一根尺子一端固定，弹另一端，尺寸发生振动。如果尺子刚度大，振动就会很激烈。如果尺子软绵绵的刚度小，振动就不那么激烈。

4、总结

通常我们所说的“硬”，其实指的是材料的抗变形能力，即力学上的刚度。

材料科学上的硬度与刚度通常情况下也成正比。

发生“易而脆”现象，主要取决于材料的变形响应时间，而变形响应时间与刚度密不可分。