向纯金属溶入合金元素通常都能改变金属的力学性能，最常见的就是强度和硬度的提升，这种现象也称固溶强化。但很多人可能不知道，对体心立方金属来说，有时候加入合金元素反而能降低强度和硬度，即固溶软化。

一、固溶强化

固溶强化比较常见。例如，铝合金由于不能像钢铁一样通过淬火热处理来进行强化，因此经常通过固溶强化来提高其强硬度。

金属强度和硬度取决于塑性变形的难易程度，塑性变形往往依赖于一种叫做位错的晶体缺陷（下图中的 T 形标志，这里暂且不谈孪生）。而合金元素往往能对位错运动产生阻碍，提升变形的难度，从而提高材料的强硬度。

剪切力驱动刃位错滑移导致材料变形

位错本质上是原子的非正常排列，在位错滑移平面的一侧原子排列紧密，另一侧则排列疏松，导致两侧的原子分别感受到压应力 / 张应力^[1]。

刃位错周围的应力场，蓝色代表压应力，红色为张应力

由于合金元素和基底材料的原子尺寸不一致，因此，尺寸大的合金元素会被张应力区域吸引，被压应力区域排斥，反之亦然。

尺寸大的合金元素被位错的张应力区域吸引，压应力区域排斥

在纯金属中，位错就好比在一个平坦的平面上滑移。但当金属中存在合金元素时，这些合金元素就好比一个个凸起或坑洞，能显著的提高位错滑移的阻力，降低位错的移动能力，让材料更不容易变形，从而产生强化效应。

二、固溶软化

大概在上世纪 60 年代，科学家发现在体心立方(bcc)金属中加入合金元素后，金属的强度 / 硬度不升反降。例如，向聚变堆第一壁材料金属钨(W)中加入 7.5%以下的铼(Re)元素，能够降低材料变形的临界分切应力（见下图^[2]），显著的软化金属 W，并缓解其低温脆性^[3]。

W-Re 合金临界分切应力随 Re 含量的变化

固溶软化现象通常存在于 bcc 金属中，在 fcc（面心立方）金属中则很少见。这是因为 fcc 金属原子排列的紧密程度较高，导致纯金属中的位错开动很容易，变形的木桶短板不在位错自身，而在于合金元素带来的阻力。

bcc 金属则有所不同，由于 bcc 金属本身的特殊结构，位错——尤其是下图所示的螺型位错——开动所需的应力远高于 fcc 金属。

因此，在 bcc 金属中，螺位错的位错线并不是作为一个整体一起平移的，而是分成两步：先进行局部滑移，通过局部弓出产生一对小的扭折(double kink)，然后这对扭折不断移动扩大，使得位错线产生整体上的滑移（下图来自文献^[2]）

黑线代表位错线，波浪形底面表示位错移动的势能面，红点代表溶质元素

合金元素对位错线有一定的吸引力，因此当位错线边上有合金元素时，局部弓出（扭折形核）会更加容易。但与此同时，合金元素与位错的吸引力也会束缚住扭折，阻碍扭折的移动。

在纯 bcc 金属中，扭折的形核难度远远高于扭折的移动，是位错运动的木桶短板（扭折通常通过热激活形核，这也是 bcc 金属低温脆性的来源）。因此，加入少量的合金元素，能够提高扭着的形核速度，从而降低变形的难度，造成固溶软化。

但当合金元素浓度比较高时，扭折的形核难度降低，移动难度提高，此时扭折的移动反而成了木桶短板，这种情况下继续增加合金元素的含量，反而会阻碍位错移动，产生固溶强化。例如前面图中所示，W 中 Re 元素超过 7.5%时，则会开始产生固溶强化。