1.2．2微量杂质引发的金属脆化
当读者阅读本书时，很可能在你周围就存在大量铜导线。铜是在元件和电器设备之间传递电流的最常用材料。除了其成本较低之外，实际应用中的另一个优点是铜比较软，塑性很好。常见的铜（以及其他）金属零件几乎都是多晶体，也就是这些零件中包含有大量微小的区域，称为晶粒，而每个晶粒都是规则排列的单晶。两个相邻晶粒具有相同的晶体结构和对称性，但它们在空间中的位向有所不同。因此，相比于纯金属所具有的晶体结构，晶粒之间的接触区域存在有大量复杂结构。这些接触区域存在于所有多晶体材料中，称为晶界。
早在100年前，人们就已经知道：在铜中加入少量的某种杂质，可以将其从塑性状态变成脆性断裂方式（断裂之前没有塑性变形）。例如，当在铜（cu）中铋（Bi）的含量低于100/g时，铜就会发生脆化。对于铅（Pb）和汞（Hg）杂质，也观察到类似的效果。但这一现象是如何发生的呢？定性地说来，当这些杂质引发脆性断裂时，断裂总是倾向于发生在晶界处，因此这些杂质一定是在某个方面极大地改变了晶界性质。当杂质元素Bi的含量很低时就会发生脆化现象，这并不是什么难以置信的事情，其原因在于Bi几乎不溶于体相cu中。也就是说，Bi原子更有可能偏聚在晶界处，而不是存在于晶粒内部，因此晶界上Bi的浓度要比该材料整体的平均浓度高得多。
能否对Bi引起铜的变化进行更为详细的解释呢？正如读者所期望的那样，对这个很多年前就已经观察到的有趣现象，研究者们已经给出了几种不同的解释。其中：第一类解释把发生这一现象的原因归结于电荷作用。例如，Bi原子与邻近cu原子形成键合作用，使这些cu原子要比纯Cu更硬，从而降低了cu晶格平滑变形的能力。第二类解释是紧邻晶界的杂质原子可能改变了晶界处原子的电子结构，从而弱化晶界处原本的成键。第三种解释则归因于尺寸效应，认为Bi原子比cu原子大得多，如果Bi原子存在于晶界处，则会分离界面两侧的cu原子，使二者之间的自然间距增大。被拉大的键长将会弱化这些原子键，并使晶界处更容易断裂。第二和第三种解释都涉及到了晶界附近原子键的弱化，但对弱化给出了不同的根本原因。直接采用实验方法区分和辨别这些可能的原因机理是非常困难的。
最近，schweinfest、Paxton和Finnis使用DFT计算方法，明确描述了Bi是如何脆化铜的，他们的研究题目就表露出了这一结论。针对纯cu和含有Bi原子杂质的cu，他们首先使用DFT计算分别预测了应力一应变关系。如果上述原子键加强变硬的观点是正确的，那么在添加Bi后，金属的弹性模量将会增大。实际上，DFT计算给出了相反的结果，意味着原子键强化解释是不正确的。另外，在更加困难的一系列计算中，他们直接给出了一些晶界的粘附功，这些晶界均已由实验证实会被Bi脆化。与实验观察结果相比较，定性地看来，计算结果具有很好的一致性：晶界的粘附功会由于Bi的存在而大幅降低。特别是DFT结果可以直接给出品界原子的电子结构，据此发现，上述有关晶界电荷作用的解释并不是导致脆化的原因。晶界性质的巨大转变几乎全都可以从Bi原子所导致的超体积角度加以解释，也就是尺寸效应。该推理表明：对于任何比Cu原子尺寸更大的杂质原子，均强烈偏聚于晶界，从而可以使cu脆化。这一描述实际上也适用于上文中提及的Pb和Hg杂质，这些杂质也已知会使铜发生脆化。
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