对于纯金属中的铜和铁，为什么常温下铜的韧性要好？ 第1页

一个原因是Cu的层错能比Fe低很多^[1][2]。

位错芯区可以看成一小块广义的层错。层错能低，意味着位错芯区的宽度大。而根据Peierls-Nabarro模型，位错宽度越大，滑移所需的应力就越小。

这导致Cu中刃/螺位错滑移只需要1.3和2.9MPa的应力^[3]，而Fe中开动刃位错则需要80MPa左右的应力^[4]。显然Cu中位错更容易滑移，也就自然更容易变形。

另外，孪晶能的数值一般都在稳定层错能的一半左右^[5]，因此层错能低通常也意味着孪晶能低。所以Cu还可以通过孪晶的形式来变形，而Fe里孪晶变形就很少见。

还有一个原因是因为Fe是bcc结构。

bcc晶体里的螺位错比较特殊，由于bcc密排方向的近邻原子列也是螺旋排列的，可以跟螺位错本身的位移叠加/抵消，从而带来两种不等价的位错结构。

两种结构能量一高一低，并且间隔排列，因此位错运动时也会经历能量上的起伏，使得阻力大增。所以Fe中螺位错的滑移往往需要GPa级别的应力^[6]。

因此bcc金属中，螺位错往往会化整为零，借助一小段扭折的形核和移动来滑移。而扭折的形成是靠热运动随机产生的（这也是bcc金属低温脆性的主要原因^[7]），效率上必然比不上整段直接滑移。因此螺位错的运动往往bcc金属塑性变形的瓶颈。

参考

1. ^Yan, Jia-An, Chong-Yu Wang, and Shan-Ying Wang. "Generalized-stacking-fault energy and dislocation properties in bcc Fe: A first-principles study." Physical Review B 70, no. 17 (2004): 174105. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.174105
2. ^Sheng, H. W., M. J. Kramer, A. Cadien, T. Fujita, and M. W. Chen. "Highly optimized embedded-atom-method potentials for fourteen fcc metals." Physical Review B 83, no. 13 (2011): 134118. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.134118
3. ^Liu, Guisen, Xi Cheng, Jian Wang, Kaiguo Chen, and Yao Shen. "Peierls stress in face-centered-cubic metals predicted from an improved semi-discrete variation Peierls-Nabarro model." Scripta Materialia 120 (2016): 94-97. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.04.013
4. ^Bhatia, M. A., S. Groh, and K. N. Solanki. "Atomic-scale investigation of point defects and hydrogen-solute atmospheres on the edge dislocation mobility in alpha iron." Journal of Applied Physics 116.6 (2014): 064302. https://doi.org/10.1063/1.4892630
5. ^Nilles, J. L., and D. L. Olson. "Energy of a bcc iron deformation twin boundary." Journal of Applied Physics 41, no. 2 (1970): 531-532. https://doi.org/10.1063/1.1658707
6. ^Chaussidon, Julien, Marc Fivel, and David Rodney. "The glide of screw dislocations in bcc Fe: atomistic static and dynamic simulations." Acta materialia 54, no. 13 (2006): 3407-3416. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.03.044
7. ^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? https://www.zhihu.com/question/431788073/answer/1606046065