怎样使金属变得很脆？ 第1页

先解释一下金属的脆是什么意思，这和金属的强度是两个概念，我们知道，金属的塑型变形主要靠位错的滑移，当往材料中引入一系列的缺陷，阻碍了位错滑移时，这时候金属塑性变形受阻，强度提高，当缺陷过多，金属中的位错被牢牢的钉住，滑移已经很困难了，这时候要继续对金属施加外力，金属无法通过塑性变形吸收这部分能量，所以只能断裂，这就是金属的脆性

所以，就有了以下方法

(1)低温，温度低，原子的可动性变差，位错也不易移动，这时候脆性会大大提高

(2)铸造过程中，如果温度控制地不是很好，就会造成局部偏析，生成一系列亚稳相，特别是这些硬脆相容易沿着晶界析出，容易在晶界出应力集中，造成脆性断裂

(3)热处理，冷热不均，热应力

(4)冷加工变形

(6)氢脆(这个机制有点不同)，具体参考 @小侯飞氘 的这个回答https://www.zhihu.com/question/307186433/answer/561604726

(7)在温度变化过大时，金属晶体会发生同素异构转变，前后如果两种晶型体积差别较大，也会造成局部内应力，使之脆断

(8)裂纹

我们说一种金属比较脆，其实是说它通过变形吸收能量的能力差，很容易断裂。

在金属的冶炼加工期间，若是不慎加入过多的杂质，或是热处理工艺不当，都容易使金属脆化。不过这种炼废了的金属丢了就行，危害并不算大。

最可怕的，是那种出厂时很坚韧的金属，却在使用过程中受环境影响而变脆，导致突然断裂的情况。

这种脆性断裂无明显征兆，很难预料，因此往往会引起灾难性的后果。

氢脆，便是这种受环境影响而脆化的典型。

关于氢脆：

一方面，作为宇宙中丰度最高的元素，氢（H）可以说是无处不在。

另一方面，作为周期表上最小的元素，H可以轻易的渗进各种密不透风的金属，影响金属的力学性能。

1875年，Johnson发现酸洗后的钢铁会变脆，开启了研究氢脆的序幕。但可惜的是，一百多年过去了，人类还是没有完全揭开氢脆的神秘面纱。

作为众多氢脆研究人员之一，只叹这个问题确实复杂，展开来讲可以写上好几本书。不过我对氢脆的认识也达不到出书的高度，因此这里只是简单科普一下我所熟悉的几个氢脆原理。

导致氢脆的常见原因：

对金属来说，氢是外来元素，属于“插班生”。

氢这个插班生是没有座位的，只能挤在间隙处，称为“间隙原子”:

没有人喜欢拥挤，因此，氢倾向于待在空位、孔洞、晶界位错等晶体缺陷附近，被它们较为宽松的原子堆积方式吸引。

在金属的冶炼加工过程中，会不可避免的产生这些晶体缺陷，这往往是引发氢脆的罪魁祸首。

例如，两堆排列方向不一样的金属原子碰到一起，会形成一种叫做“晶界”的界面。晶界处金属原子的堆积比较松散，空间比较大。这让氢很喜欢呆在晶界上，从而弱化晶界两侧的金属原子结合力，使得金属特别容易沿着晶界开裂。

另外，材料受到拉力时，拉力往往会集中缺口/裂纹附近。

由于氢喜欢呆在拉应力区域，氢会聚集在裂纹附近，使得裂纹的扩展更加容易，从而引发断裂：

另外，在微观上规则排列的金属原子，很难进行大块原子的整体变形。

金属的变形，往往需要借助一种叫“位错（dislocation）”的晶体缺陷，通过局部滑动来一步步完成整体变形：

插个题外话，降温会让位错更难滑动，也是让部分金属脆化的一种方式，见我以前的回答：在极度寒冷的环境中，铁制品会不会真的像电影中那样和玻璃一样脆？

位错附近也有张应力场，因此也会吸引氢。这时位错想要滑动，就需要拖拽着氢一起运动，这会降低位错滑动能力，从而降低金属变形能力。

那么，当你给金属施加拉力时，金属不能通过变形来释放掉这些力，力便容易集中在一处，导致裂纹萌生并扩展，从而使得金属断裂。

另外，大量的氢聚集在拉应力区，甚至会形成金属氢化物。

镁、钛、锆、钒等金属与氢较为亲和，这些氢化物能够在金属中大量形成，容易导致应力集中，让裂纹从这些氢化物处萌生。

而在铁、钨、铝等对氢较为排斥的金属中，这些氢化物只能在位错、裂纹的张应力区域短暂的形成。

这些氢化物并不稳定，进一步聚集后，会将金属原子挤开，从而形成氢泡和裂纹：

这些氢泡/裂纹内部析出氢气，积累起高达上万个大气压的气压。甚至导致在没有外力的情况下，金属也会断裂、鼓胀：

在不同的金属、不同的环境中，氢脆可能由以上的一种或几种原因导致。

目前我们对氢脆的理解仍然有限，只希望在有生之年，我们能完全揭开氢脆的神秘面纱，不再让更多的人丧生于氢脆事故之中。

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