为什么所有金属在常温下都不具有脆性，是巧合吗？
这个问题很有意思，很多人都会有这样的疑问：为什么我们身边常见的金属，比如铁、铝、铜，在常温下似乎都很“乖巧”，拉伸、弯曲都不容易断裂，而像玻璃、陶瓷那样一碰就碎的材料，我们就习惯性地称之为“脆性材料”。那么，金属在常温下不具有脆性，究竟是个巧合，还是有什么内在的科学道理？
答案是：这绝不是巧合，而是金属原子结构和晶体学原理的必然结果。 它们之间有着深刻的物理和化学联系。
要理解这一点，我们得先深入了解金属的微观世界，以及它们与其他材料（比如我们说的陶瓷、玻璃）在原子层面的差异。
金属的“软肋”：自由电子和金属键
金属之所以能在常温下表现出延展性（可以拉伸、弯曲而不易断裂），最核心的原因在于其独特的金属键和由此带来的自由电子。
想象一下金属的微观结构。金属原子通常是比较“慷慨”的，它们最外层的电子不太受原子核的束缚，容易脱离自己的原子轨道，形成一片“电子海”。而金属的晶体结构，就是这些带正电的金属离子（失去电子的原子）固定在晶格的特定位置上，但它们之间却被这片自由活动的电子海“粘合”在一起。
这种金属键的特点是：
1. 非方向性： 电子海不像某些化学键（比如共价键）那样有明确的方向性，电子可以在金属内部自由流动，把所有金属离子“包裹”住。
2. 弱束缚： 电子受到原子核的吸引力相对较弱，容易迁移。
延展性的秘密：滑移
正是有了这片电子海，金属才能表现出令人惊叹的延展性。当对金属施加一个外力时，比如拉伸或者弯曲，金属内部的原子层并不会像玻璃那样因为键断裂而立刻崩塌。
相反，金属的晶体结构允许原子层之间发生相对滑动，而不会破坏整体的结合。 这种滑动是沿着特定的晶面（称为滑移面）和特定的滑移方向发生的。
你可以想象一下，金属的晶体就像很多层纸叠在一起。如果你从侧面推，中间的纸层可以相对于上下纸层滑移，但整个纸堆仍然保持在一起。而玻璃或者陶瓷，更像是很多块砖头用强力胶水粘合在一起，一旦受力超过胶水的强度，砖头就会直接脱落，导致整体崩塌。
在金属中，电子海起到了“润滑剂”的作用。当原子层滑动时，电子海可以迅速地重新分布，填补原子层之间的空隙，重新“粘合”住滑动后的原子，使得金属在发生形变时，整体结构仍然保持稳定。这种原子层之间的滑动能力，就叫做滑移，是金属延展性的根本原因。
为什么玻璃和陶瓷是脆性材料？
对比一下玻璃和陶瓷。它们通常以离子键和共价键为主。
离子键： 比如食盐（NaCl）的晶体，是钠离子（Na+）和氯离子（Cl）通过静电吸引力结合。这些离子固定在晶格的特定位置。如果强行移动离子层，同种电荷的离子就会靠近，产生巨大的斥力，瞬间就会导致晶体破裂。
共价键： 比如陶瓷材料（如氧化铝、碳化硅），原子之间形成牢固、有方向性的共价键。这些键非常强，但一旦受到超过其强度的应力，键就会断裂，而且断裂后很难再重新结合。
所以，当玻璃或陶瓷受到外力时，如果应力超过了它们离子键或共价键的强度，键就会断裂，导致材料出现裂纹并迅速扩展，最终破碎。它们没有金属那样的“滑移”机制，因此表现出脆性。
晶体结构的影响：多晶体与滑移
金属通常是以晶体的形式存在的，但大多数金属材料并非单一晶体，而是由许多微小的、取向不同的晶粒组成的多晶体。
每个晶粒内部，原子都排列成规整的晶格，允许滑移发生。但是，不同晶粒的晶格取向是不同的。当外力作用时，滑移会在所有能够发生滑移的晶粒中同时进行。
晶界： 不同晶粒之间存在着晶界。在晶界处，原子排列不那么规整，滑移的进行会受到一定阻碍。但是，由于大多数金属的晶粒非常细小，而且晶界处也并不是完全“断裂”的，通常还是能提供一定的形变能力。
滑移系统的数量： 能够发生滑移的晶面和晶向的组合称为滑移系统。金属晶体中通常存在多个滑移系统。在宏观受力下，总会有一些滑移系统能够被激活，从而允许材料发生塑性变形。
是不是所有金属在任何条件下都不脆？
这里需要稍微 уточнить一下。我们说“常温下大多数金属不具有脆性”，是指相对于玻璃、陶瓷等而言。但金属的延展性也受到很多因素的影响，比如：
温度： 绝大多数金属在高温下会变得更软，延展性更好。而当温度极低时，金属的延展性会显著下降，甚至可能表现出一定的脆性。例如，低温下的铁可能会比常温下更硬。
晶粒大小： 极细小的晶粒（纳米晶）有时会表现出与宏观晶粒不同的力学行为，其延展性可能受到影响。
杂质和合金化： 材料中的杂质或者通过合金化引入的元素，会影响金属键的性质和晶格的完整性，从而改变其延展性。例如，一些合金的设计就是为了提高强度，这往往会以牺牲一定的延展性为代价。
材料的纯净度： 极度纯净的金属，比如高纯度的金、银，它们的延展性非常出色。但实际使用的金属材料往往是合金，性能更加优化。
应变速率： 非常快的加载速率可能会导致金属表现出比慢速加载时更明显的脆性。
总结一下：
金属在常温下之所以不具有脆性，主要是因为它们特殊的金属键以及由金属键决定的自由电子。这些自由电子使得金属原子层之间可以发生滑移，而不会导致整个结构崩塌。这种滑移能力是金属延展性的根本原因。
玻璃和陶瓷之所以是脆性材料，是因为它们主要依靠离子键或共价键，这些键是方向性的、强固的，一旦断裂就很难恢复，没有金属的原子层滑动机制。
因此，金属在常温下表现出的良好延展性，绝非巧合，而是其内在原子结构和电子性质所决定的基本属性。当然，具体的延展性程度会受到温度、杂质、晶粒大小等多种因素的影响，但“不脆”是它们作为一个大类材料的普遍特征。
答案是：这绝不是巧合，而是金属原子结构和晶体学原理的必然结果。 它们之间有着深刻的物理和化学联系。
要理解这一点，我们得先深入了解金属的微观世界，以及它们与其他材料（比如我们说的陶瓷、玻璃）在原子层面的差异。
金属的“软肋”：自由电子和金属键
金属之所以能在常温下表现出延展性（可以拉伸、弯曲而不易断裂），最核心的原因在于其独特的金属键和由此带来的自由电子。
想象一下金属的微观结构。金属原子通常是比较“慷慨”的，它们最外层的电子不太受原子核的束缚，容易脱离自己的原子轨道，形成一片“电子海”。而金属的晶体结构，就是这些带正电的金属离子（失去电子的原子）固定在晶格的特定位置上，但它们之间却被这片自由活动的电子海“粘合”在一起。
这种金属键的特点是：
1. 非方向性： 电子海不像某些化学键（比如共价键）那样有明确的方向性，电子可以在金属内部自由流动，把所有金属离子“包裹”住。
2. 弱束缚： 电子受到原子核的吸引力相对较弱，容易迁移。
延展性的秘密：滑移
正是有了这片电子海，金属才能表现出令人惊叹的延展性。当对金属施加一个外力时，比如拉伸或者弯曲，金属内部的原子层并不会像玻璃那样因为键断裂而立刻崩塌。
相反，金属的晶体结构允许原子层之间发生相对滑动，而不会破坏整体的结合。 这种滑动是沿着特定的晶面（称为滑移面）和特定的滑移方向发生的。
你可以想象一下，金属的晶体就像很多层纸叠在一起。如果你从侧面推，中间的纸层可以相对于上下纸层滑移，但整个纸堆仍然保持在一起。而玻璃或者陶瓷，更像是很多块砖头用强力胶水粘合在一起，一旦受力超过胶水的强度，砖头就会直接脱落，导致整体崩塌。
在金属中，电子海起到了“润滑剂”的作用。当原子层滑动时，电子海可以迅速地重新分布，填补原子层之间的空隙，重新“粘合”住滑动后的原子，使得金属在发生形变时，整体结构仍然保持稳定。这种原子层之间的滑动能力，就叫做滑移，是金属延展性的根本原因。
为什么玻璃和陶瓷是脆性材料？
对比一下玻璃和陶瓷。它们通常以离子键和共价键为主。
离子键： 比如食盐（NaCl）的晶体，是钠离子（Na+）和氯离子（Cl）通过静电吸引力结合。这些离子固定在晶格的特定位置。如果强行移动离子层，同种电荷的离子就会靠近，产生巨大的斥力，瞬间就会导致晶体破裂。
共价键： 比如陶瓷材料（如氧化铝、碳化硅），原子之间形成牢固、有方向性的共价键。这些键非常强，但一旦受到超过其强度的应力，键就会断裂，而且断裂后很难再重新结合。
所以，当玻璃或陶瓷受到外力时，如果应力超过了它们离子键或共价键的强度，键就会断裂，导致材料出现裂纹并迅速扩展，最终破碎。它们没有金属那样的“滑移”机制，因此表现出脆性。
晶体结构的影响：多晶体与滑移
金属通常是以晶体的形式存在的，但大多数金属材料并非单一晶体，而是由许多微小的、取向不同的晶粒组成的多晶体。
每个晶粒内部，原子都排列成规整的晶格，允许滑移发生。但是，不同晶粒的晶格取向是不同的。当外力作用时，滑移会在所有能够发生滑移的晶粒中同时进行。
晶界： 不同晶粒之间存在着晶界。在晶界处，原子排列不那么规整，滑移的进行会受到一定阻碍。但是，由于大多数金属的晶粒非常细小，而且晶界处也并不是完全“断裂”的，通常还是能提供一定的形变能力。
滑移系统的数量： 能够发生滑移的晶面和晶向的组合称为滑移系统。金属晶体中通常存在多个滑移系统。在宏观受力下，总会有一些滑移系统能够被激活，从而允许材料发生塑性变形。
是不是所有金属在任何条件下都不脆？
这里需要稍微 уточнить一下。我们说“常温下大多数金属不具有脆性”，是指相对于玻璃、陶瓷等而言。但金属的延展性也受到很多因素的影响，比如：
温度： 绝大多数金属在高温下会变得更软，延展性更好。而当温度极低时，金属的延展性会显著下降，甚至可能表现出一定的脆性。例如，低温下的铁可能会比常温下更硬。
晶粒大小： 极细小的晶粒（纳米晶）有时会表现出与宏观晶粒不同的力学行为，其延展性可能受到影响。
杂质和合金化： 材料中的杂质或者通过合金化引入的元素，会影响金属键的性质和晶格的完整性，从而改变其延展性。例如，一些合金的设计就是为了提高强度，这往往会以牺牲一定的延展性为代价。
材料的纯净度： 极度纯净的金属，比如高纯度的金、银，它们的延展性非常出色。但实际使用的金属材料往往是合金，性能更加优化。
应变速率： 非常快的加载速率可能会导致金属表现出比慢速加载时更明显的脆性。
总结一下：
金属在常温下之所以不具有脆性，主要是因为它们特殊的金属键以及由金属键决定的自由电子。这些自由电子使得金属原子层之间可以发生滑移，而不会导致整个结构崩塌。这种滑移能力是金属延展性的根本原因。
玻璃和陶瓷之所以是脆性材料，是因为它们主要依靠离子键或共价键，这些键是方向性的、强固的，一旦断裂就很难恢复，没有金属的原子层滑动机制。
因此，金属在常温下表现出的良好延展性，绝非巧合，而是其内在原子结构和电子性质所决定的基本属性。当然，具体的延展性程度会受到温度、杂质、晶粒大小等多种因素的影响，但“不脆”是它们作为一个大类材料的普遍特征。
网友意见
先问是不是。
大部分体心立方金属都有低温脆性，高于某个临界温度才会呈现出韧性，这个温度称为韧脆转变温度（DBTT)。
钢铁的DBTT通常都比较低，一般不超过0℃，常温下一般呈现较好的韧性（否则就是废钢没法用）。但有的金属的DBTT是很高的，例如一些钨合金的DBTT甚至高达600℃[1]，常温下显然是脆性的。
其实吧，提高韧性很难，但把金属炼脆炼废实在是太容易了。钢水里面多加点磷，或者加适量的锰，能让炼出来的钢脆的跟玻璃一样。
另外，虽然面心立方金属通常不存在通常意义下的低温脆性，但也有金属铱这种奇葩。由于铱具有极高的层错能（可粗略理解为两层原子互相滑动需克服的能量），大约是金和银的10倍[2]，导致铱中原子很难通过滑移来产生形变，因此常温下金属铱也是非常脆的。
参考
- ^Ren, Chai, et al. "Methods for improving ductility of tungsten-a review." International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 75 (2018): 170-183. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263436818300659?casa_token=469bb7l070UAAAAA:F0uGPalyE39KNV0e3CNI46R5yjaXaoOoq0WqJ8hzy7EkdMpeYHN9xK04TIlDwoJjsG4RRDUGWg
- ^Sheng, H. W., et al. "Highly optimized embedded-atom-method potentials for fourteen fcc metals." Physical Review B 83.13 (2011): 134118. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.83.134118
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