为什么fcc晶体金属在极低的温度下保持延展性而bcc和hcp会发生延性脆性转变? 第1页

因为bcc金属比较“硬核”。

真的，不骗你。在以钢为代表的bcc金属中，其低温脆性主要来源于一种名为“硬核”结构的螺位错，这类位错的存在使得螺位错很难滑移，需要通过热激活形成扭折才能移动，因此低温下很脆。

位错是一种晶体缺陷，经常是金属塑性变形的主要载体。螺位错的结构如下图，当你对下图中材料的左边施加一个剪切变形时，材料中的原子会发生错位，因此这类缺陷被称为位错。此时如果你绕着变形/未变形的边界线（称为位错线）跑，你会获得一条螺线上升的曲线，螺位错中的“螺”就来自于此。

bcc晶体中，螺位错的能量跟位置有关，并且存在两种不同能量的位置。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。

沿着111方向看，bcc晶体的结构如下图^[1]，其中每个节点代表一个bcc原子，节点上的数字代表原子在垂直纸面方向上的高度（单位为<111>/2，这里只画了一个周期单元）。

上图中三角形并不是三角形，而是一条垂直纸面的螺旋线（具体结构见下图）。可以看出，螺旋线有A和B两种结构，对应顺时针和逆时针的螺旋线。

在理想晶体中，这两个螺旋线是等价的。但当体系中螺位错时，螺位错本身会带来一个螺旋错位。由于螺旋错位是有方向性的，它会和原本的A/B型螺旋互相叠加/抵消，导致A/B处螺位错的结构是不一样的。

下图(a)代表螺位错在A点处的结构，(b)代表螺位错在B点处的结构^[2]。由于(b)中理想晶体的正常螺旋跟螺位错的螺旋正好抵消，导致原子距离更加紧凑，使得螺位错在B处的能量通常要高于A处。因此，当螺位错尝试滑移的时候，B点的高能量就会对滑移产生阻碍

注： B处螺位错的结构也被称为硬核(hard core)结构，A处的则称为easy core结构。

由于跨过这个阻碍的能量很高，螺位错很难进行整体滑移，只能化整为零，先牟足了力气滑移一小部分，形成一对扭折，再将扭折扩大完成整体滑移(见下图^[3])。

由于扭折的形核是热激活的，因此低温下扭折很难形核，螺位错基本上动不了。虽然刃位错低温下还能动，但在缺少螺位错参与的情况下，很多位错增殖机制（例如FR源）都被冻结了，塑性变形难以维持，所以材料在低温下呈现脆性。

fcc的晶体结构不同，并不存在上述螺位错运动的阻碍，因此fcc金属通常不呈现低温脆性。

hcp体系不太熟悉，就不班门弄斧了。

参考

1. ^Suzuki, Taira, Shin Takeuchi, and Hideo Yoshinaga. Dislocation dynamics and plasticity. Vol. 12. Springer Science & Business Media, 2013. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-75774-7
2. ^Itakura, M., et al. "The effect of hydrogen atoms on the screw dislocation mobility in bcc iron: a first-principles study." Acta materialia 61.18 (2013): 6857-6867. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645413005843?casa_token=wjHjKtYv4AoAAAAA:awlGrEftyYzzTkVqX89jYmDNDcDFihY6UIaxaUnBwCMwkQZrpsOc9UKVRQghs4_nlDSVPocIcQ
3. ^Hu, Yong-Jie, et al. "Solute-induced solid-solution softening and hardening in bcc tungsten." Acta Materialia 141 (2017): 304-316. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645417307565?casa_token=vGlnqP83oPoAAAAA:MwydGp8WKER9CoJPJVXer78MDJf1D-VzH2W_Wtd4U64d0xNm3G3FpnyF8yVy3Go6BUyPq2O3EA