对于纯金属中的铜和铁，为什么常温下铜的韧性要好？
铜和铁，同为我们日常生活中极为常见的纯金属，在常温下的表现却有着显著的差异，尤其是韧性方面。简单来说，铜在常温下比铁更加“软糯”，更容易弯曲而不易折断。这背后的原因，并非仅仅是简单的“硬度低”，而是涉及到它们原子层面的结构、电子分布以及结合方式的细微差别。
要理解这一点，我们得先聊聊金属的本质。纯金属是由大量的金属原子通过一种特殊的“金属键”结合在一起的晶体。金属键不像分子中的共价键那样有明确的指向性，而是形成了一片“电子海”，大量的价电子在整个金属晶体中自由移动，像海浪一样将带正电的金属离子核束缚在一起。正是这种“电子海”的存在，赋予了金属良好的导电性和导热性。
那么，为什么在这片“电子海”中，铜能比铁表现出更好的韧性呢？我们可以从以下几个层面来深入分析：
1. 原子结构与排列的稳定性：
晶体结构： 铜在常温下主要以面心立方（FCC）结构存在。想象一下，你将小球堆叠起来，面心立方就像是把一层球按照六边形排列，然后下一层球放在这些六边形孔隙上，再下一层又回到原来的位置。这种结构有着良好的对称性和紧密堆积。
铁的结构： 铁就比较“麻烦”了。在常温下，纯铁的稳定结构是体心立方（BCC）。体心立方结构可以将球体放在一个立方体的八个角上，然后在立方体的中心再放一个。相比于面心立方，体心立方结构虽然也紧密，但其原子之间的堆积方式允许原子在特定方向上有更大的滑动空间。
滑移方向与滑移系： 金属的塑性变形（也就是韧性的表现）主要依赖于晶体中位错的移动。位错可以想象成原子排列中出现的一种“缺陷”，它就像一条线，在施加外力时，位错线会沿着特定的方向和平面移动，从而使得整个晶体层发生相对滑动。这些可以发生滑动的方向和平面称为“滑移方向”和“滑移系”。
铜（FCC）： 面心立方结构有着更多的滑移系，而且这些滑移系的方向通常是原子密排的方向。在这些方向上，原子之间的距离相对较近，当发生滑动时，所需的能量相对较低。你可以想象一下，在FCC结构中，原子排列得像叠好的盘子，层与层之间在多个方向上都有“靠山”，滑移时更容易找到“顺畅”的路径。
铁（BCC）： 体心立方结构虽然也有滑移系，但其最密排的方向与最密排的平面组合并不如FCC那样有利于位错的自由移动。在BCC结构中，原子排列更像是一堆随意堆放但有一定规则的木棍，在某些方向上，原子之间的“空隙”更大，位错在移动时更容易受到阻碍，需要更大的外力才能克服。
2. 电子行为与结合力的细微差别：
价电子的参与度： 铜的原子结构是1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹。值得注意的是，它有一个全空的3d轨道。这意味着，铜的4s电子可以相对容易地离域，形成“电子海”。然而，3d电子虽然是d轨道，但它是全满的，并且与4s轨道能量相近。
铁的价电子： 铁的原子结构是1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²。铁的d轨道并非全满。它有6个3d电子，并且3d轨道比4s轨道能量更低，但仍有空轨道。这种未完全填满的d轨道，意味着铁的电子结构更加复杂，电子之间的相互作用更强，也会影响到金属键的性质。
键的“粘性”： 尽管金属键是自由电子与离子核之间的吸引，但电子的行为方式会影响键的“粘性”。在铜中，全满的3d壳层可能在一定程度上“屏蔽”了核心的电荷，使得价电子更容易在整个晶格中流动。而铁未满的3d轨道，可能意味着电子之间的排斥作用更强，或者电子与原子核之间的束缚力更复杂，这可能会导致在位错滑移时，需要克服更大的能量势垒。
“电子海”的均匀性： 我们可以想象，铜的“电子海”可能更加均匀和稳定，对晶格的束缚力也相对柔和，这使得原子层的滑动更为容易。而铁的电子结构可能存在更复杂的相互作用，导致“电子海”的性质略有不同，从而影响了金属键的“弹性”和“韧性”。
3. 杂质效应与加工硬化：
虽然我们讨论的是纯金属，但在实际情况中，即使是微量的杂质也会对金属的力学性能产生巨大影响。
铁的杂质敏感性： 铁的体心立方结构更容易受到间隙杂质（如碳、氮）的影响。这些小尺寸的杂质原子很容易进入铁晶格的某些空隙中，形成固溶体，或者在位错周围产生“钉扎”效应，阻碍位错的移动。这会显著提高铁的硬度，但同时会降低其韧性。
铜的杂质效应： 铜的面心立方结构对间隙杂质的容纳能力较弱。虽然它也会形成固溶体，但其对位错的阻碍作用通常不如铁那样显著。
综合来看：
铜在常温下之所以比铁具有更好的韧性，主要归结于以下几点：
更优越的晶体结构（FCC）： 提供更多的滑移系，且滑移方向更易于位错移动。
更“顺畅”的位错滑移： 相比于BCC结构的铁，FCC结构的铜原子排列更容易使位错沿着密排方向和平面滑动。
电子结构的影响： 铜全满的3d轨道和相对自由的4s电子，可能使得金属键的束缚力更加柔和，有利于塑性变形。
对杂质的敏感性相对较低： 使得纯铜的韧性得到更好的保持。
所以，当我们弯折铜线时，它会更容易发生塑性形变，表现出韧性；而如果我们尝试弯折铁丝，在达到一定程度后，它会更容易发生断裂，显得更加“脆”。这背后，是原子尺度上的排列、电子的舞蹈，共同谱写了这两种金属截然不同的力学性格。
要理解这一点，我们得先聊聊金属的本质。纯金属是由大量的金属原子通过一种特殊的“金属键”结合在一起的晶体。金属键不像分子中的共价键那样有明确的指向性，而是形成了一片“电子海”，大量的价电子在整个金属晶体中自由移动，像海浪一样将带正电的金属离子核束缚在一起。正是这种“电子海”的存在，赋予了金属良好的导电性和导热性。
那么，为什么在这片“电子海”中，铜能比铁表现出更好的韧性呢？我们可以从以下几个层面来深入分析：
1. 原子结构与排列的稳定性：
晶体结构： 铜在常温下主要以面心立方（FCC）结构存在。想象一下，你将小球堆叠起来，面心立方就像是把一层球按照六边形排列，然后下一层球放在这些六边形孔隙上，再下一层又回到原来的位置。这种结构有着良好的对称性和紧密堆积。
铁的结构： 铁就比较“麻烦”了。在常温下，纯铁的稳定结构是体心立方（BCC）。体心立方结构可以将球体放在一个立方体的八个角上，然后在立方体的中心再放一个。相比于面心立方，体心立方结构虽然也紧密，但其原子之间的堆积方式允许原子在特定方向上有更大的滑动空间。
滑移方向与滑移系： 金属的塑性变形（也就是韧性的表现）主要依赖于晶体中位错的移动。位错可以想象成原子排列中出现的一种“缺陷”，它就像一条线，在施加外力时，位错线会沿着特定的方向和平面移动，从而使得整个晶体层发生相对滑动。这些可以发生滑动的方向和平面称为“滑移方向”和“滑移系”。
铜（FCC）： 面心立方结构有着更多的滑移系，而且这些滑移系的方向通常是原子密排的方向。在这些方向上，原子之间的距离相对较近，当发生滑动时，所需的能量相对较低。你可以想象一下，在FCC结构中，原子排列得像叠好的盘子，层与层之间在多个方向上都有“靠山”，滑移时更容易找到“顺畅”的路径。
铁（BCC）： 体心立方结构虽然也有滑移系，但其最密排的方向与最密排的平面组合并不如FCC那样有利于位错的自由移动。在BCC结构中，原子排列更像是一堆随意堆放但有一定规则的木棍，在某些方向上，原子之间的“空隙”更大，位错在移动时更容易受到阻碍，需要更大的外力才能克服。
2. 电子行为与结合力的细微差别：
价电子的参与度： 铜的原子结构是1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹。值得注意的是，它有一个全空的3d轨道。这意味着，铜的4s电子可以相对容易地离域，形成“电子海”。然而，3d电子虽然是d轨道，但它是全满的，并且与4s轨道能量相近。
铁的价电子： 铁的原子结构是1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²。铁的d轨道并非全满。它有6个3d电子，并且3d轨道比4s轨道能量更低，但仍有空轨道。这种未完全填满的d轨道，意味着铁的电子结构更加复杂，电子之间的相互作用更强，也会影响到金属键的性质。
键的“粘性”： 尽管金属键是自由电子与离子核之间的吸引，但电子的行为方式会影响键的“粘性”。在铜中，全满的3d壳层可能在一定程度上“屏蔽”了核心的电荷，使得价电子更容易在整个晶格中流动。而铁未满的3d轨道，可能意味着电子之间的排斥作用更强，或者电子与原子核之间的束缚力更复杂，这可能会导致在位错滑移时，需要克服更大的能量势垒。
“电子海”的均匀性： 我们可以想象，铜的“电子海”可能更加均匀和稳定，对晶格的束缚力也相对柔和，这使得原子层的滑动更为容易。而铁的电子结构可能存在更复杂的相互作用，导致“电子海”的性质略有不同，从而影响了金属键的“弹性”和“韧性”。
3. 杂质效应与加工硬化：
虽然我们讨论的是纯金属，但在实际情况中，即使是微量的杂质也会对金属的力学性能产生巨大影响。
铁的杂质敏感性： 铁的体心立方结构更容易受到间隙杂质（如碳、氮）的影响。这些小尺寸的杂质原子很容易进入铁晶格的某些空隙中，形成固溶体，或者在位错周围产生“钉扎”效应，阻碍位错的移动。这会显著提高铁的硬度，但同时会降低其韧性。
铜的杂质效应： 铜的面心立方结构对间隙杂质的容纳能力较弱。虽然它也会形成固溶体，但其对位错的阻碍作用通常不如铁那样显著。
综合来看：
铜在常温下之所以比铁具有更好的韧性，主要归结于以下几点：
更优越的晶体结构（FCC）： 提供更多的滑移系，且滑移方向更易于位错移动。
更“顺畅”的位错滑移： 相比于BCC结构的铁，FCC结构的铜原子排列更容易使位错沿着密排方向和平面滑动。
电子结构的影响： 铜全满的3d轨道和相对自由的4s电子，可能使得金属键的束缚力更加柔和，有利于塑性变形。
对杂质的敏感性相对较低： 使得纯铜的韧性得到更好的保持。
所以，当我们弯折铜线时，它会更容易发生塑性形变，表现出韧性；而如果我们尝试弯折铁丝，在达到一定程度后，它会更容易发生断裂，显得更加“脆”。这背后，是原子尺度上的排列、电子的舞蹈，共同谱写了这两种金属截然不同的力学性格。
网友意见
位错芯区可以看成一小块广义的层错。层错能低，意味着位错芯区的宽度大。而根据Peierls-Nabarro模型，位错宽度越大，滑移所需的应力就越小。
这导致Cu中刃/螺位错滑移只需要1.3和2.9MPa的应力[3]，而Fe中开动刃位错则需要80MPa左右的应力[4]。显然Cu中位错更容易滑移，也就自然更容易变形。
另外，孪晶能的数值一般都在稳定层错能的一半左右[5]，因此层错能低通常也意味着孪晶能低。所以Cu还可以通过孪晶的形式来变形，而Fe里孪晶变形就很少见。
还有一个原因是因为Fe是bcc结构。
bcc晶体里的螺位错比较特殊，由于bcc密排方向的近邻原子列也是螺旋排列的，可以跟螺位错本身的位移叠加/抵消，从而带来两种不等价的位错结构。
两种结构能量一高一低，并且间隔排列，因此位错运动时也会经历能量上的起伏，使得阻力大增。所以Fe中螺位错的滑移往往需要GPa级别的应力[6]。
因此bcc金属中，螺位错往往会化整为零，借助一小段扭折的形核和移动来滑移。而扭折的形成是靠热运动随机产生的（这也是bcc金属低温脆性的主要原因[7]），效率上必然比不上整段直接滑移。因此螺位错的运动往往bcc金属塑性变形的瓶颈。
参考
- ^Yan, Jia-An, Chong-Yu Wang, and Shan-Ying Wang. "Generalized-stacking-fault energy and dislocation properties in bcc Fe: A first-principles study." Physical Review B 70, no. 17 (2004): 174105. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.174105
- ^Sheng, H. W., M. J. Kramer, A. Cadien, T. Fujita, and M. W. Chen. "Highly optimized embedded-atom-method potentials for fourteen fcc metals." Physical Review B 83, no. 13 (2011): 134118. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.134118
- ^Liu, Guisen, Xi Cheng, Jian Wang, Kaiguo Chen, and Yao Shen. "Peierls stress in face-centered-cubic metals predicted from an improved semi-discrete variation Peierls-Nabarro model." Scripta Materialia 120 (2016): 94-97. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.04.013
- ^Bhatia, M. A., S. Groh, and K. N. Solanki. "Atomic-scale investigation of point defects and hydrogen-solute atmospheres on the edge dislocation mobility in alpha iron." Journal of Applied Physics 116.6 (2014): 064302. https://doi.org/10.1063/1.4892630
- ^Nilles, J. L., and D. L. Olson. "Energy of a bcc iron deformation twin boundary." Journal of Applied Physics 41, no. 2 (1970): 531-532. https://doi.org/10.1063/1.1658707
- ^Chaussidon, Julien, Marc Fivel, and David Rodney. "The glide of screw dislocations in bcc Fe: atomistic static and dynamic simulations." Acta materialia 54, no. 13 (2006): 3407-3416. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.03.044
- ^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? https://www.zhihu.com/question/431788073/answer/1606046065
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