金屬延展性的差異與其內部結構（主要是晶體結構、缺陷和微觀組織）密切相關。以下是關鍵因素及其關聯：
晶體結構類型（晶格類型）：
- 面心立方結構：具有最高延展性（如金、銀、銅、鋁、鎳、鉑）。原因在于：
- 滑移系數量多：FCC結構有4個獨立的滑移面（密排面{111}），每個面上有3個滑移方向（密排方向<110>），共12個滑移系。這意味著在變形時，位錯（晶體中的線缺陷，是塑性變形的主要載體）有更多不同的方向和平面可以運動，更容易適應外力的方向，實現均勻的塑性變形。
- 位錯運動阻力小：FCC金屬的位錯核心結構通常比較“寬”，位錯在滑移面上運動所需的臨界切應力（派-納力）相對較低，位錯容易滑移。
- 體心立方結構：延展性中等或可變（如鐵、鎢、鉬、鉻、鉭）。
- 滑移系數量中等：BCC結構有6個滑移面（{110}為主，但{112}、{123}也可能激活），每個面上有2個滑移方向（<111>），理論上也有12個滑移系。但在實際變形中，并非所有滑移系都同樣容易激活。
- 位錯運動阻力大且對溫度敏感：BCC金屬的位錯核心結構較“窄”，位錯運動需要更高的能量（派-納力高）。在低溫下，位錯難以運動，材料表現為脆性（如低溫下的鐵）。隨著溫度升高，熱激活幫助位錯克服障礙，延展性顯著提高（如高溫鍛造鐵）。雜質原子對BCC金屬位錯運動的阻礙作用也更顯著。
- 密排六方結構：延展性通常較差（如鎂、鋅、鎘、鈦、鈹）。
- 滑移系數量少：HCP結構通常只有1個主要的滑排面（基面{0001}）和3個滑移方向（<11-20>），共3個滑移系。這使得塑性變形高度依賴于基面滑移。當外力方向不利于基面滑移時，材料難以變形，容易發生脆性斷裂。
- 需要激活非基面滑移或孿生：為了獲得足夠的變形能力，HCP金屬往往需要激活棱柱面{10-10}或錐面{10-11}上的滑移，或者依靠孿生變形。但這些機制啟動所需的應力通常比基面滑移高得多，限制了整體的延展性。鎂合金在室溫下的低延展性就是典型例子。
位錯行為：
- 位錯滑移的難易程度：這是塑性變形的核心機制。FCC金屬位錯最容易滑移，BCC次之（且受溫度影響大），HCP最難（滑移系少）。
- 位錯增殖與交互作用：變形過程中位錯會增殖并相互纏結、形成胞狀結構或位錯墻。這種位錯密度的增加導致加工硬化，使材料繼續變形需要更大的力。延展性好的金屬，其加工硬化能力通常也較強（如不銹鋼），這能延緩局部頸縮的發生。
- 位錯交滑移能力：當位錯在某個滑移面上遇到障礙時，它可以轉移到另一個平行的滑移面上繼續運動（交滑移）。FCC金屬的交滑移很容易發生（因為滑移面都是{111}面），有助于協調變形和釋放應力集中。BCC金屬也較易交滑移。HCP金屬中，如果非基面滑移困難，交滑移也受限。
晶界特性與晶粒尺寸（霍爾-佩奇關系）：
- 晶界作為障礙：晶界是位錯運動的障礙。細小的晶粒意味著更多的晶界，能更有效地阻礙位錯運動，從而提高材料的強度。
- 晶界協調變形與應力集中釋放：同時，晶界也是協調相鄰晶粒變形的場所。更多的晶界提供了更多協調變形的機會，有助于分散應力集中，從而可能提高延展性（尤其是在均勻塑性變形階段）。然而，晶粒過細時（如納米晶），晶界協調變形能力可能下降，位錯活動空間極小，材料可能反而變脆。
- 霍爾-佩奇關系：屈服強度隨晶粒尺寸減小而提高。對于延展性，存在一個最佳晶粒尺寸范圍，既能提供足夠的強度，又能保持良好的塑性（均勻延伸率）。過粗的晶粒可能導致局部變形集中而降低延展性。
其他變形機制：
- 孿生：在某些晶體結構（尤其是滑移系少的HCP金屬如Mg、Zn）或低溫/高應變速率條件下，孿生是重要的塑性變形機制。孿生能快速改變晶體取向，使原本不利的滑移系變得有利，從而改善延展性（如鎂合金在特定條件下的孿生變形）。但孿生本身是突變過程，可能引發局部應力集中。
- 相變誘導塑性：某些合金（如TRIP鋼、形狀記憶合金）在變形時會發生應力誘導的馬氏體相變。這種相變吸收能量、產生體積變化并引入新的位錯，能顯著提高延展性和韌性。
雜質與合金元素：
- 固溶強化：溶質原子釘扎位錯，阻礙位錯運動，提高強度，但通常降低延展性（位錯更難滑移）。程度取決于溶質原子的種類、濃度和與基體原子的尺寸/彈性模量差異。
- 第二相粒子：
- 細小、彌散分布的硬粒子（如氧化物、碳化物）：通過奧羅萬機制阻礙位錯，提高強度，但也可能成為裂紋萌生點，降低延展性（尤其當粒子較大或沿晶界分布時）。
- 軟粒子（如某些時效合金中的GP區）：可能對延展性影響較小或略有改善。
- 大塊脆性夾雜物或化合物（如鋼中的硫化物、氧化物夾雜）：是主要的裂紋源，嚴重損害延展性和韌性。
電子結構（金屬鍵強度）：
- 金屬鍵的強度影響原子間結合力。結合力非常強的金屬（如鎢、錸），雖然熔點高、強度高，但位錯運動極其困難，延展性往往較差（室溫下很脆）。結合力適中的金屬（如銅、鋁）延展性最好。結合力很弱的金屬（如堿金屬鈉、鉀）延展性也很好，但強度極低。
總結關聯：
- 延展性最佳：FCC結構金屬（金、銀、銅、鋁等），得益于最多的滑移系（12個）和最低的位錯運動阻力。位錯可以輕松地在多個滑移系上滑移和交滑移，實現均勻塑性變形。
- 延展性中等/可變：BCC結構金屬（鐵、鎢等），滑移系數量理論上足夠（12個），但位錯運動阻力大且高度依賴溫度（低溫脆，高溫韌）。雜質影響顯著。
- 延展性通常較差：HCP結構金屬（鎂、鋅、鈦等），主要受限于滑移系數量極少（通常只有3個基面滑移系）。變形嚴重依賴基面滑移或需要啟動高應力的非基面滑移/孿生，協調變形能力弱。
其他關鍵影響因素：
- 溫度：升高溫度提供熱激活能，幫助位錯克服障礙（如派-納力、溶質原子釘扎），顯著提高BCC和HCP金屬的延展性。FCC金屬延展性受溫度影響較小。
- 應變速率：高速變形時，位錯來不及運動或增殖，材料傾向于表現為脆性（低延展性）。
- 應力狀態：多向拉應力狀態（如缺口根部）會抑制塑性變形，促進脆性斷裂，降低表觀延展性。
因此，金屬延展性的差異本質上是其內部晶體結構決定的位錯滑移難易程度、滑移系數量以及微觀組織（晶界、第二相、缺陷）對位錯運動阻礙作用的綜合體現。FCC結構提供了最有利的先天條件，而BCC和HCP結構則分別受到高滑移阻力和滑移系不足的限制。通過合金化、加工工藝（如控制晶粒尺寸、引入特定相變）可以一定程度上改善材料的延展性。
