极寒环境中铁制品会不会像常温下的玻璃一样脆？

在极寒环境下，铁制品的性质确实会发生一些变化，但要说它会像常温下的玻璃那样“脆”，那是一种夸张的说法，但背后确实有着科学的道理。更准确地说，铁在极寒条件下会表现出一种叫做“冷脆性”的现象。

要理解这一点，我们得先从铁的微观结构说起。铁是一种金属，它的原子是以一种非常有规律的方式排列在晶格里的。常温下，这些原子排列相对稳定，但金属并不是完全刚性的，原子之间存在一定的振动，而且在晶格中也会存在一些“缺陷”，比如原子位置的错排（位错）。这些位错就像一条条“折痕”，允许金属在受到外力时发生形变，从而吸收能量，展现出一定的韧性。

现在，我们把温度降到极低。想象一下，当温度极低时，原子的振动会变得非常微弱，它们几乎被“冻结”在晶格中的位置。这种情况下，原本可以滑动的位错就变得非常难以移动了。就好比在结冰的水面上，你很难像在水里那样轻松地滑动一样。

更重要的是，铁的微观结构里含有碳。通常情况下，这些碳原子是以固溶体或者碳化物（如渗碳体）的形式存在于铁基体中。在常温下，这些碳的存在会一定程度上影响铁的强度和硬度，但它们也允许一定程度的形变。

然而，当温度极低时，铁中的碳原子（尤其是游离的碳原子或在渗碳体颗粒周围）会开始“阻碍”位错的移动，而且这种阻碍的效果会随着温度的降低而加剧。你可以想象成，这些碳原子就像一根根小小的“钉子”，牢牢地钉在晶格中，让原本就不容易移动的位错更加寸步难行。

结果就是，当外力作用在极寒环境下的铁制品上时，它无法通过位错的滑移来吸收能量并发生延展性形变。原本可以“弯一弯”或者“扭一扭”的地方，现在会变得非常僵硬。一旦应力超过了它能够承受的极限，它就会突然断裂，而且断裂的表面往往是颗粒状的，缺乏常温下金属断裂时常见的纤维状或撕裂状的痕迹。这种突然的、脆性的断裂，就是“冷脆性”。

那么，和玻璃有什么不同呢？玻璃在常温下也是一种脆性材料，它的原子排列是一种无定形结构，没有金属晶格那样有规律的结构和位错。玻璃之所以脆，是因为它的原子键非常强，而且没有位错这种可以滑移的结构来提供塑性变形的能力。所以，玻璃一旦超过其断裂强度，就会直接碎裂。

铁在极寒环境下的表现，虽然也是脆性断裂，但其内在机制和玻璃不同。铁依然保留着晶体结构，只是在低温下，其晶格的塑性变形能力受到了极大的限制。它不是从一开始就“死硬”，而是随着温度降低，“变得”越来越死硬。

所以，铁制品在极寒环境中确实会变得比常温下更容易断裂，尤其是在受到冲击时，其表现会更加明显。这就像一件平时很结实的衣服，在零下几十度洗过后，如果没有彻底烘干，水分结冰会使纤维变得僵硬，衣服也就没那么柔软了，甚至在受到拉扯时更容易撕裂。

正因为如此，在一些需要承受极端低温的应用中，例如北极考察设备的部件、特种车辆的零件，工程师们会选择特殊的合金钢，比如加入镍的合金钢。镍的加入可以在低温下帮助铁原子重新排列，减缓冷脆现象的发生，使得材料在极寒环境中仍然保持足够的韧性。

总而言之，铁制品在极寒环境中确实会比常温下更加“脆”，这是因为低温限制了其内部位错的运动，并且碳等杂质的影响更加突出，导致材料失去塑性而容易发生脆性断裂，这是一种“冷脆性”现象，尽管其微观机制与玻璃的固有脆性有所不同。

网友意见

这个问题还真不是一两句话能讲清楚的。不过俗话怎么说的来着，一图胜千言，好在我图多。

先简单的说，常温下韧性很好的钢材，在低温下确实可能变得很脆。所以在南方能正常使用的钢材，拿到北方很可能就不能用了。

这种低温脆性多见于铁素体钢、马氏体钢。奥氏体钢产生低温脆性的情况较少。

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我们先介绍几个基本概念：

首先要明确，材料的脆/韧性，是指它通过塑性变形吸收冲击能量的能力。而能量≈力×变形距离。

在微观尺度上，大块原子的滑动变形很难，但可以借助一种叫“位错（dislocation）”的晶体缺陷，通过局部滑动来一步步完成整体变形：

所以，材料的脆/韧性，很大程度上取决于“位错”滑动的难易程度。上图中的位错称为刃位错，因其核心区域多出来半列原子就像一个刀刃插在材料中。其中，滑移与未滑移的交界线，我们称为位错线（dislocation line）。

除了刃位错，还有一种基本位错类型，称为螺位错。沿着位错线方向绕一圈原子就滑移一格，如螺旋线一般：

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那么，为什么铁素体、马氏体钢有低温脆性，奥氏体钢却一般没有呢？这是因为在原子排列方式上，铁素体、马氏体钢与奥氏体钢并不一样：

铁素体、马氏体钢中的Fe原子是以体心结构排列的，而奥氏体则是面心结构。

bcc金属中的螺位错比较特殊。由于在bcc金属的密排方向上，原子本身也是呈现螺旋状排列的。因此当存在螺位错时，两个螺旋要么叠加，要么抵消，也就带来了两种不同的能量状态。

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，导致这类位错较难开动，很容易成为变形的主要瓶颈。

因此，bcc金属中螺位错的位错线并不是整体一块滑移的，而是一小段一小段滑移的：

https://www.zhihu.com/video/960670374258712576

也就是说，螺位错要先产生一对扭折（kink pair），然后扭折不断扩大，导致整个位错线的移动。

而产生这对扭折的过程，是通过热涨落来激活的。

没有足够的温度，就不能有效的产生扭折，螺位错就滑动不了。于是bcc金属就难以产生塑性变形，不能有效的吸收冲击能量，宏观上就体现为低温脆性。

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