极寒环境中铁制品会不会像常温下的玻璃一样脆？

源济

极寒环境中铁制品会不会像常温下的玻璃一样脆？

作者 / 小侯飞氘

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：

剪切力驱动刃位错滑移导致材料变形

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：

螺位错示意图

螺位错运动导致材料变形

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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：

左：体心立方（bcc)；右：面心立方（fcc)

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：

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。