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?
我们都知道，金属在低温下的行为常常会让人大跌眼镜。许多我们熟悉的金属，比如钢铁，在温度骤降时会变得像玻璃一样易碎，这便是所谓的“延性脆性转变”。然而，一些金属，特别是那些拥有面心立方（FCC）晶体结构的金属，却能在这个寒冷的环境中保持惊人的韧性。这是为什么呢？这背后隐藏着晶体结构、位错滑移以及材料内在动力学的一系列复杂故事。
要理解这一切，我们得先从金属材料的微观世界说起——也就是它的晶体结构。金属原子并非杂乱无章地堆积，而是按照一定的几何规律排列，形成规则的晶格。最常见的晶体结构有三种：面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和六方密堆积（HCP）。它们在原子排列密度、堆积方式以及可滑移平面上有着显著差异。
滑移：金属塑性变形的“主力军”
金属之所以能够弯曲、拉伸而不至于瞬间断裂，关键在于其内部的位错（Dislocations）。位错是一种晶体缺陷，可以理解为原子排列中的“瑕疵”，它们的存在使得金属原子层之间更容易相对滑动。这种原子层间的滑动，就是在滑移系（Slip System）上进行的。
滑移系由一个滑移平面（Slip Plane）和一个滑移方向（Slip Direction）组成。位错的移动需要克服一定的能量障碍，而滑移平面的原子排列越紧密，滑移方向上的原子排列越容易“接踵而至”，所需的能量就越少。因此，拥有越多、越容易滑移的滑移系，金属的延展性就越好。
FCC 的“先天优势”：更多的滑移途径
FCC 结构的金属，比如铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）和银（Ag）等，在滑移系方面有着得天独厚的优势。
高密度的滑移平面： FCC 结构的原子主要堆积在{111}晶面上。这些晶面是原子最紧密堆积的平面，也就成为了最容易发生滑移的平面。
众多的滑移方向： 在每一个{111}滑移平面上，都存在着三个<110>方向，这些方向的原子排列是紧密且容易滑动的。
总共24个滑移系： 结合了4个{111}晶面和3个<110>方向，FCC 结构总共有 4 x 3 = 12 个主要的滑移系。但由于滑移方向和晶面的关系，实际可以激活的有效滑移系是 24 个。这意味着，无论晶体如何取向，总有大量的滑移系可以被激活，为位错的运动提供了丰富的“通道”。
BCC 和 HCP 的“先天劣势”与低温挑战
相比之下，BCC 和 HCP 结构的金属在滑移系方面就显得“保守”一些。
BCC 结构： BCC 结构原子最紧密堆积的平面是{110}晶面，并且在这些平面上有<111>方向。然而，BCC 结构也存在其他一些可以滑移的平面，例如{123}，但这些平面的原子堆积密度和滑移能垒比{110}要高。BCC 结构的总滑移系数量虽然不少（理论上可以有48个），但其主要滑移平面（{110}）的原子排列不像 FCC 的{111}那样“平整”和“规整”，位错在这些平面上滑移所需的能量更高，也更容易受到阻碍。
HCP 结构： HCP 结构的理想情况是其 basal 滑移系（{0001}<1120>），这是最容易滑移的。然而，HCP 结构的总滑移系数量相对较少，且其他非 basal 滑移系（例如<1010>方向在{1010}平面上）的激活需要更高的应力。
延性脆性转变：低温下的“关节僵硬”
那么，低温是如何引发这种转变的呢？在低温下，原子振动的幅度减小，这会带来几个关键性的影响：
1. 位错钉扎效应增强： 材料中的杂质原子、晶界、空位等都会对位错的运动形成“障碍”，将位错“钉住”。在低温下，这些障碍物对位错的束缚力会大大增强。原子振动不那么剧烈，位错就更难“摆脱”这些障碍物的束缚。
2. 运动激活能增加： 位错的滑移并非一帆风顺，它需要克服一定的能量势垒。低温下，原子振动频率降低，原子获得足够能量来“翻越”这些势垒的概率也随之降低。就像给位错滑移设置了更高的“门槛”。
3. 位错产生困难： 在低温下，位错的产生机制也可能受到影响，新的位错生成速度减慢，为材料提供塑性变形的“源泉”就变得枯竭。
FCC 为什么能“扛住”低温？
正是因为 FCC 结构拥有数量庞大且易于滑移的滑移系，这为它提供了巨大的“回旋余地”。
多样化的滑移路径： 当一个滑移系被低温“冻结”时，FCC 结构还有大量的其他滑移系可以被激活。位错即使被某个障碍物或高能垒的滑移方向阻碍，它也能很容易地“绕道”进入另一个同样易于滑移的平面和方向。这就像一个拥有四通八达道路网络的城市，即使一条路堵车，也能轻易找到另一条畅通的路径。
位错攀移（Crossslip）的便利性： 位错攀移是指位错从一个滑移平面“跳跃”到另一个平行滑移平面的现象。FCC 结构的某些滑移系，比如（111）[110]滑移，其位错的攀移能量相对较低，使得位错更容易在低温下进行攀移，从而克服某些障碍，继续移动。
位错缠结的“韧性”： 即使位错开始受到阻碍，在 FCC 结构中，由于存在大量的滑移系，位错更容易相互缠结，形成更复杂的位错网络。这些复杂的位错结构反而能够吸收更多的能量，在一定程度上延缓脆性断裂的发生。
BCC 和 HCP 的“脆弱”之处
BCC： 在低温下，BCC 的主要滑移系（{110}<111>）的位错运动变得困难。而一旦{110}滑移受阻，其他的滑移系，比如{123}<111>，虽然存在，但它们的激活能垒更高，需要更高的应力才能启动。当材料的变形能力主要依赖于这些高能垒的滑移时，一旦某个关键的位错运动被完全阻止，应力就会迅速集中在薄弱环节，导致材料突然断裂。此外，BCC 材料的脆性断裂通常发生在特定的晶向上，一旦这些“幸运”的滑移方向被锁定，就很容易出现脆性。
HCP： HCP 结构的滑移系数量本身就相对较少。在低温下， basal 滑移可能仍然存在，但一旦 basal 滑移不足以满足变形需求，或者 basal 滑移也受到严重阻碍时，其他非 basal 滑移系的激活将更为困难。这意味着 HCP 材料在低温下的变形途径变得非常有限，一旦这些有限的途径被堵死，材料就很容易发生脆性断裂。
总结：精妙的结构设计与低温的残酷考验
所以，FCC 金属在极低温度下保持延展性的原因，归根结底在于其晶体结构所赋予的丰富而易于激活的滑移系。这些“先天优势”让位错在面对低温带来的各种阻碍时，总有足够多的“备用通道”来完成塑性变形。而 BCC 和 HCP 结构，由于其滑移系的“先天不足”或“不够灵活”，在低温下更容易因为位错运动的受限而发生应力集中，最终导致延性脆性转变。
打个比方，FCC 的结构就像一个设计精良的交通网络，即使遇到极端天气（低温），依然有许多替代路线可以让你顺利到达目的地（完成变形）。而 BCC 和 HCP 就像一些路网相对简单的城市，一旦主要道路被封锁，拥堵和停滞就难以避免，最终可能导致整个交通系统瘫痪（脆性断裂）。
理解这一点，对于我们选择合适的材料在极端环境下使用，或者通过合金化、热处理等手段来改善材料的低温性能，都具有重要的指导意义。
网友意见
先说，这不是我的研究方向，以下仅以自己粗浅理解介绍
0、这个标题可能需要修改一下
fcc不发生DBT比较确定；bcc未强化的材料DBT比较严重也比较确认
但hcp比较复杂，得单拎
hcp里包含11个元素，能用做结构材料的就仨，Ti，Mg，Zr，平时能见到的就俩，Ti和Mg
前者涉及到的应用包括球鼻艏，就是船下面那个大鼻子；后者的应用包括卫星等外层空间飞行器
都需要在使役环境下考虑DBT
现在说DBT这个概念，简单说，就是高温塑性好，低温塑性差
且存在那么个温度DBTT，在这个温度下，塑性发生断崖式下沉
1、从结果上看，做hcp的人不care DBT
Acta， Scripta，MMTA从创刊到现在的论文里，涉及到Ti和Mg的DBT现象的论文
到现在，只有下面一篇，还是因为Mg里加Li，形成了部分bcc，才有了上述对DBT的讨论
问题来了，请问下面这种图算不算DBT，存不存在DBTT？
这篇论文的作者认为DBTT是50°C，大家以为如何？
这是hcp的常态
即，相对于fcc，变形机制的启动对温度敏感，导致塑性也对温度敏感
但这里的是否存在明显的突变，是否称得上DBT，难说
从论文检索结果上看，做Ti和Mg的人认为，我们跟DBT没关系，我们不打算参与DBT的讨论
2、但我们想讨论下与DBT精神内核相关的细节
那就是不同变形机制对温度的不同依赖性
基面<a>位错，最容易启动的机制，热激活型，但激活温度低于室温，取向合适时塑性30%以上；{102}孪生，非热激活，能有效执行的塑性只有10%；柱面<a>位错，Mg制品高强度的主要责任人，热激活，激活温度，我自己的数据判断，大概在150°C；<c+a>滑移，激活应力很高的机制，热激活，且激活温度大概在225°C，低于这个温度，塑性基本以1%为单位，高温时可以趋近于无限大。
现在问题来了，我可以让同一个材料形成织构，即，沿着某个方向拉伸或压缩时，以某一种变形机制主导变形，从而让材料表现出不同的塑性-温度图谱，其表观DBTT可以在横跨300°C（假如<a>滑移的激活温度为70°C）的区间内反复横跳
为什么呢，因为hcp是三种结构中对称性最低的结构
其变形机制也具有最强的各向异性，最终导致各种力学属性也具有强烈的各向异性
所以，请问，这时候，我们还能快乐的讨论DBT么？
不能
作为一个需要方方面面都考虑到的科研工程师，这事儿，没法儿干
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
- ^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
- ^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
- ^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
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