脆性

脆性是指當外力達到一定限度時，材料發生無先兆的突然破壞,且破壞時無明顯塑性變形的性質。脆性材料力學性能的特點是抗壓強度遠大於抗拉強度，破壞時的極限應變值極小。磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、鑄鐵等都是脆性材料。與韌性材料相比，它們對抵抗衝擊荷載和承受震動作用是相當不利的。

材料受力破壞時無顯著的塑性變形而突然斷裂的性質。一般斷裂面較粗糙，斷口平直而光亮，邊緣沒有剪切唇，延伸率和斷面收縮率均較小。通常以延伸率小於5%的材料劃分為脆性材料。金屬的脆性通常以其破斷能的轉變温度來表示，即在不同温度下測定金屬的力學性能(如衝擊韌性等)時，延性韌性突然降低的温度，或有50%斷口具有脆性斷裂特徵的温度。金屬的脆化在很大程度上因其受力狀態、加工速度、化學成分、熱加工工藝和使用條件的不同面變化。 ^[1] 

工程構件在斷裂前發生明顯的塑性變形，稱為韌性斷裂；斷裂前不發生或只有少量宏觀塑性變形，則為脆性斷裂。由於脆性斷裂沒有明顯的“徵兆”，因而危害性極大，應儘量予以避免。工件究竟發生韌性斷裂還是脆性斷裂，與工件的尺寸、形狀、工作環境和介質、載荷性質、材料的性能等因素有關。對於特定的工件和服役條件，材料的強度、塑性和韌度的合理配合決定着其最終的斷裂方式。熱處理不當，顯微組織不良，會使材料的塑性和韌度顯著降低，增大了工件的脆性斷裂傾向。與熱處理有關的常見的材料脆性有回火脆性、低温脆性、氫脆性等。

淬火成馬氏體後，在回火過程中，一般情況下隨着回火温度的升高，硬度和強度降低，塑性和韌度提高。但是有些情況下，在某一温度區間回火時，韌度指標隨回火温度的變化曲線存在低谷，一個在200～450℃之間，另

一個在350～525℃之間。如圖1所示為35Cr2Ni3鋼的衝擊韌度與回火温度的關係，可以看出，這種鋼的衝擊韌度，在經300℃和500℃回火後，分別出現了最低值，出現了回火脆性現象。鋼在回火過程中，可能發生兩種類型的脆性：一種脆性通常發生在淬火馬氏體於200～450℃回火温度區間，這類回火脆性碳鋼一般在200～400℃範圍內出現，合金鋼中一般在250～450℃會出現，如將已經產生回火脆性的工件在更高一些的温度回火後，其脆性將消失，即使再在產生這種回火脆性的温度下進行回火，也不會重新產生脆性，這種回火脆性稱為第一類回火脆性(也稱不可逆回火脆性)。另一種脆性發生在某些合金結構鋼中，這些鋼在450～650℃回火的情況下發生脆化，這種脆性可以採用重新加熱回火，隨後快速冷卻的方法予以消除，這種脆性為第二類回火脆性(也稱可逆回火脆性)。

温度是影響金屬材料和工程結構斷裂方式的重要因素之一。許多斷裂事故發生在低温。這是由於温度對工程上廣泛使用的低中強度結構鋼和鑄鐵的性能影響很大，隨着温度的降低，鋼的屈服強度增加，韌度降低。隨着温度降低，缺口衝擊試樣的斷裂形式在某一温度範圍內由韌性斷裂轉變為脆性斷裂。這種隨温度降低材料由韌性向脆性轉變的現象稱做低温脆性或冷脆。這種斷裂形式的轉變，通常用一個特定的轉變温度表示材料抵抗低温脆性斷裂的能力，如圖2所示。低温脆性斷裂包括穿晶脆斷和沿晶界的晶間脆斷兩種斷裂方式。穿晶脆斷主要是解理斷裂，常見的低温脆性斷裂大多數是沿解理面的穿晶斷裂；而晶間脆斷通常在應力腐蝕或發生回火脆性的情況下出現。 ^[2] 

金屬材料中由於含有氫或在含氫的環境中工作，其塑性和韌度下降的現象稱為氫脆。氫在體心立方金屬中的溶解度很小，但是擴散速度極大，因此其對氫脆的敏感性也最大。面心立方金屬也會發生氫脆，但相對來説，氫脆敏感性小。一般認為，當鋼中含氫量低於2～3cm³/100g時，不會發生氫致開裂。金屬材料在冶煉、酸洗、電鍍、焊接、熱處理等工藝過程中引進了大量的氫，使材料在受到外載荷作用時，因內部已經存在的氫而發生的氫脆稱為內部氫脆；材料在服役過程中，從環境中吸收了氫而導致的脆化稱為環境氫脆。氫脆現象能夠通過去氫處理減小或去除時，稱為可逆氫脆；如果氫已經造成了材料的永久性損傷，即使經過去氫處理，氫脆現象也不能消除的情況，稱為不可逆氫脆。發生氫脆時，材料的斷裂方式多數情況下由韌性斷裂轉變為脆性斷裂。 ^[2] 

鋼結構焊接發生脆性斷裂主要與材料(包括焊接材料和鋼材)、結構設計和焊接工藝三個方面有關，其主要影響因素如下。

塑性變形主要是由於金屬晶體內沿滑移面發生滑移，引起滑移的力學因素是切應力。金屬材料受外力作用時，在不同的截面上會產生不同的拉應力和切應力。切應力促進塑性變形，是位錯移動的推動力，而拉應力則只促進脆性裂紋的擴展。當零件存在缺陷(如尖鋭缺口、刀痕、預存裂紋、疲勞裂紋等)、應力集中，同時在拉伸應力的作用下，即在缺陷根部產生三軸拉應力。

在三軸拉伸時，最大應力超出單軸拉伸時的屈服應力，極易導致脆性斷裂。因此，應力集中的作用以及除載荷作用方向以外的拉應力分量是造成金屬零件在靜態低負荷下產生脆性斷裂的重要原因。材料的應力狀態越嚴重，則發生解理斷裂的傾向性越大。

圖3-57—3-58(2張)

眾所周知，隨温度的降低金屬材料的屈服應力和斷裂應力而增加，韌性和韌度下降，解理應力也隨着下降。當温度低於該材料臨界脆性轉變温度時，材料斷裂的性質由延性轉變為脆性斷裂，這個温度稱為韌脆轉變温度。對某些體心立方金屬及合金，由於位錯中心區螺位錯非共面擴展為三葉位錯或兩葉位錯，特別是在低温下，這種結構的螺位錯難以交滑移，使得派·納力(在理想晶體中克服點陣阻力移動單位位錯所需的臨界切應力)隨温度的降低迅速升高，這是這類材料的屈服強度或流變應力隨温度降低而急劇升高，即對温度產生強烈依賴關係，並因此導致材料脆化的主要原因。

此外，韌脆轉變温度與零件形狀有關，如形狀相同的兩個零件，其中之一設計有缺口，而另一個無缺口，則帶有缺口零件的韌脆轉變温度高於無缺口的。圖3-57所示為温度與材料的剪切屈服限τ_T和正斷抗力S_OT的關係。温度降低使材料的τ_T增加，而S_OT相對不變。

試驗證明，提高加載速度能促使鋼材脆性破壞，其作用相當於降低温度。圖3-58所示為加載速度與鋼材屈服點δ_S的關係曲線。圖3中説明鋼材的塑性變形抗力隨加載速度提高而加強，促進了鋼材脆性斷裂。

當焊縫中存在氣孔、非金屬夾雜、偏析、組織粗大及焊接裂紋時，這些缺陷的焊縫往往成為工作時的潛在斷裂源。

脆性斷裂往往出現於鋼結構的焊接接頭中。其原因是當焊接工藝選擇不合適、操作技能不熟練等，焊接接頭有時會產生熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋；焊接是不平衡加熱和冷卻的過程，在熱影響區顯微組織中會出現高碳馬氏體、上貝氏體、粗大晶粒，甚至魏氏組織等，有這些缺陷的焊縫往往成為工作時的潛在斷裂源，導致焊接接頭脆化。此外，焊接接頭附近微量有害元素的偏聚以及擴散氫含量的增加也使其韌性降低；焊接熱循環過程中發生的塑性應變引起熱應變時效脆化。 ^[3] 

影響脆性斷裂的因素很多，下面主要從零件的設計與製造、材料的冶金和熱處理等方面説明防止脆性斷裂的途徑。

防止脆性斷裂應控制下列因素來進行合理結構設計。即材料的斷裂韌性水平，鋼結構的工作温度和應力狀態，載荷類型及環境因素等。

如前所述，温度是引起零件脆斷的重要因素之一，設計者必須考慮使零件的工作温度高於材料的臨界脆性轉變温度(T_c)。若所設計的零件工作温度低於T_c時，則必須降低設計應力水平，使材料不會發生裂紋的擴展；若其設計應力不能降低，則應更換材料，選擇韌性更高，T_c更低的材料。在選擇材料時，應保證材料具有良好的強韌性以及良好的工藝性能。

在進行零件結構和鋼結構焊接工藝設計時，應使缺陷所產生的應力集中減少到最低限度，如零件形狀圓滑過渡、減少尖角及結構尺寸的不連續性，合理佈置焊縫的位置、不交叉焊縫。要選擇優質鋼材。結構加工後不應存在缺口、凹槽、過深的刀痕等缺陷。焊接時要避免各種缺陷；對質量要求高的鋼結構在條件允許的條件下，焊接後應實施消除殘餘應力退火和對焊縫採用TIG焊重熔等有效措施。

對鋼中的有益元素要保證在規定的範圍，而對提高鋼脆性轉變温度，降低衝擊韌性的有害元素和夾雜含量必須控制在規定範圍內。對發生脆斷事故，首先要看是否含量超標，不超標時也要考慮合金配比是否合適，因為成分符合牌號規範，但配比不合適(如Mn/C比)，其工藝性能或使用性能上達不到要求並引起事故的事例是很多的，如在設計鋼的成分時應儘可能地控制一些對鋼的回火脆性影響較大元素的配比，使鋼的回火脆性不致過大，以及向回火脆性敏感性較大的鋼中添加鉬和鎢，像對回火脆性敏感性較大的鉻鎳鋼、鉻錳鋼、硅錳鋼、鉻釩鋼等加鉬便是如此。此外，鋼中偏析、夾雜物、白點、微裂紋等缺陷越多，韌性越低。

實踐證明，碳、氮、磷、硅等元素會增大鋼的冷脆性傾向，鎳、少量錳、銅等元素有利於鋼獲得較高的低温衝擊韌性。由於合金元素對鋼的冷脆性的影響很複雜，加之還要受其他方面因素的影響，還需具體分析。總之，調整合金元素，降低雜質含量，提高鋼的純淨度是降低材料脆斷的有效途徑。

細化晶粒是提高鋼材塑性、韌性避免脆斷的重要手段。粗晶粒的鋼脆性轉變温度較細晶粒的為高，如粗晶粒的中碳鋼的脆性轉變温度，可較細晶粒的鋼高40℃。其原因是晶粒越細，晶界面積就越大，晶界對位錯運動的阻礙也越大，從而強度提高。此外，晶粒越細，在一定體積內的晶粒數目越多，變形量越大，變形越均勻，引起的應力集中越小，使材料在斷裂之前能承受較大的變形量。又因為晶粒越細，晶界的曲折越多，越不利於裂紋的傳播，從而在斷裂過程中可吸收更多的能量，表現出較高的韌性，當晶粒細小時，晶界面積增加，又使晶界雜質分散，避免雜質集中產生沿晶脆性斷裂。在鋁合金中加入鈦、鋯、釩等或在不鏽鋼、合金鋼中加入鈦、釩等元素，形成碳化物，阻止腐蝕和加熱時晶粒長大，從而細化晶粒提高韌性。

形變熱處理是形變強化與熱處理淬火強化相結合的一種複合強化工藝。通過高温形變熱處理細化奧氏體的亞結構，細化淬火馬氏體，使鋼的強度和韌性提高；低温形變熱處理除了細化奧氏體亞結構外，還可增加位錯密度，促進碳化物彌散沉澱，降低奧氏體含碳量和增加細小板條馬氏體的數量，提高鋼的強度和韌性；此外，．通過形變熱處理還可消除鋼的回火脆性，即使鋼加熱至A_c。温度以上進行變形並立即淬火、回火，這樣可使某些鋼的回火脆性消除，並得到纖維狀斷口。

亞温淬火時因温度處理兩相區，可以形成很細的奧氏體和未熔鐵素體兩相組織，鐵素體-奧氏體相界面比一般淬火的奧氏體晶界面積大許多倍，因而單位相界面上雜質濃度減少，所以採用亞温淬火可以提高鋼的低温韌性和抑制高温回火脆性，並顯著降低脆性轉變温度；此外，亞温淬火的未熔鐵素體比奧氏體能溶解較多的硫、磷，進一步降低奧氏體晶界的雜質偏聚濃度，因而可進一步提高鋼的韌性，抑制高温回火脆性。

通過熱處理獲得強度、硬度高，塑性和韌性好的低碳馬氏體(板條馬氏體)。這是因為板條馬氏體中碳含量低，形成温度高，有“自回火”作用，且碳化物彌散分佈；其次是板條馬氏體的胞狀位錯亞結構中位錯分佈不均勻，存在低密度位錯區，為位錯提供了活動餘地，由於位錯運動降低局部應力集中，可延緩裂紋萌生而對韌性有利；此外，含碳量低，晶格畸變小，淬火應力小，不存在顯微裂紋，裂紋通過馬氏體條也不易擴展，因此，低碳馬氏體具有很高的強度和良好的韌性，同時還具有脆性轉變温度低，缺口敏感性小等優點。

綜上所述，要在提高強度的同時，又能改善韌性，降低脆性，可從三方面着手，其一改善合金的化學成分和冶煉生產方法，去除或固定對韌性不利的有害因素。其二獲得可達到最佳韌性的顯微組織和相分佈。其三細化顯微組織，細化晶粒。 ^[3]