脆性

编辑锁定讨论本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目审核。脆性是指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质，与韧性相反，直到断裂前只出现很小的弹性变形而不出现塑性变形。脆性材料抗动荷载或冲击能力很差。金属材料的脆性主要取决于其成分和组织结构。

中文名: 脆性
外文名: brittleness
原理: 材料在外力作用下断裂破坏的性质

断裂破坏: 退火脆性，回火脆性等
评判标准: 延伸率大小
影响因素: 材料、结构设计、加工工艺等

脆性简介

编辑脆性是指当外力达到一定限度时，材料发生无先兆的突然破坏,且破坏时无明显塑性变形的性质。脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度，破坏时的极限应变值极小。砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。与韧性材料相比，它们对抵抗冲击荷载和承受震动作用是相当不利的。材料受力破坏时无显著的塑性变形而突然断裂的性质。一般断裂面较粗糙，断口平直而光亮，边缘没有剪切唇，延伸率和断面收缩率均较小。通常以延伸率小于5%的材料划分为脆性材料。金属的脆性通常以其破断能的转变温度来表示，即在不同温度下测定金属的力学性能(如冲击韧性等)时，延性韧性突然降低的温度，或有50%断口具有脆性断裂特征的温度。金属的脆化在很大程度上因其受力状态、加工速度、化学成分、热加工工艺和使用条件的不同面变化。^[1]

脆性脆性分类

编辑工程构件在断裂前发生明显的塑性变形，称为韧性断裂；断裂前不发生或只有少量宏观塑性变形，则为脆性断裂。由于脆性断裂没有明显的“征兆”，因而危害性极大，应尽量予以避免。工件究竟发生韧性断裂还是脆性断裂，与工件的尺寸、形状、工作环境和介质、载荷性质、材料的性能等因素有关。对于特定的工件和服役条件，材料的强度、塑性和韧度的合理配合决定着其最终的断裂方式。热处理不当，显微组织不良，会使材料的塑性和韧度显著降低，增大了工件的脆性断裂倾向。与热处理有关的常见的材料脆性有回火脆性、低温脆性、氢脆性等。

脆性回火脆性

淬火成马氏体后，在回火过程中，一般情况下随着回火温度的升高，硬度和强度降低，塑性和韧度提高。但是有些情况下，在某一温度区间回火时，韧度指标随回火温度的变化曲线存在低谷，一个在200～450℃之间，另一个在350～525℃之间。

图1

如图1所示为35Cr2Ni3钢的冲击韧度与回火温度的关系，可以看出，这种钢的冲击韧度，在经300℃和500℃回火后，分别出现了最低值，出现了回火脆性现象。钢在回火过程中，可能发生两种类型的脆性：一种脆性通常发生在淬火马氏体于200～450℃回火温度区间，这类回火脆性碳钢一般在200～400℃范围内出现，合金钢中一般在250～450℃会出现，如将已经产生回火脆性的工件在更高一些的温度回火后，其脆性将消失，即使再在产生这种回火脆性的温度下进行回火，也不会重新产生脆性，这种回火脆性称为第一类回火脆性(也称不可逆回火脆性)。另一种脆性发生在某些合金结构钢中，这些钢在450～650℃回火的情况下发生脆化，这种脆性可以采用重新加热回火，随后快速冷却的方法予以消除，这种脆性为第二类回火脆性(也称可逆回火脆性)。

脆性低温脆性

图2

温度是影响金属材料和工程结构断裂方式的重要因素之一。许多断裂事故发生在低温。这是由于温度对工程上广泛使用的低中强度结构钢和铸铁的性能影响很大，随着温度的降低，钢的屈服强度增加，韧度降低。随着温度降低，缺口冲击试样的断裂形式在某一温度范围内由韧性断裂转变为脆性断裂。这种随温度降低材料由韧性向脆性转变的现象称做低温脆性或冷脆。这种断裂形式的转变，通常用一个特定的转变温度表示材料抵抗低温脆性断裂的能力，如图2所示。低温脆性断裂包括穿晶脆断和沿晶界的晶间脆断两种断裂方式。穿晶脆断主要是解理断裂，常见的低温脆性断裂大多数是沿解理面的穿晶断裂；而晶间脆断通常在应力腐蚀或发生回火脆性的情况下出现。^[2]

脆性氢脆性

金属材料中由于含有氢或在含氢的环境中工作，其塑性和韧度下降的现象称为氢脆。氢在体心立方金属中的溶解度很小，但是扩散速度极大，因此其对氢脆的敏感性也最大。面心立方金属也会发生氢脆，但相对来说，氢脆敏感性小。一般认为，当钢中含氢量低于2～3cm³/100g时，不会发生氢致开裂。金属材料在冶炼、酸洗、电镀、焊接、热处理等工艺过程中引进了大量的氢，使材料在受到外载荷作用时，因内部已经存在的氢而发生的氢脆称为内部氢脆；材料在服役过程中，从环境中吸收了氢而导致的脆化称为环境氢脆。氢脆现象能够通过去氢处理减小或去除时，称为可逆氢脆；如果氢已经造成了材料的永久性损伤，即使经过去氢处理，氢脆现象也不能消除的情况，称为不可逆氢脆。发生氢脆时，材料的断裂方式多数情况下由韧性断裂转变为脆性断裂。^[2]

脆性影响钢结构脆性断裂的原因

编辑钢结构焊接发生脆性断裂主要与材料(包括焊接材料和钢材)、结构设计和焊接工艺三个方面有关，其主要影响因素如下。

脆性拉应力

塑性变形主要是由于金属晶体内沿滑移面发生滑移，引起滑移的力学因素是切应力。金属材料受外力作用时，在不同的截面上会产生不同的拉应力和切应力。切应力促进塑性变形，是位错移动的推动力，而拉应力则只促进脆性裂纹的扩展。当零件存在缺陷(如尖锐缺口、刀痕、预存裂纹、疲劳裂纹等)、应力集中，同时在拉伸应力的作用下，即在缺陷根部产生三轴拉应力。在三轴拉伸时，最大应力超出单轴拉伸时的屈服应力，极易导致脆性断裂。因此，应力集中的作用以及除载荷作用方向以外的拉应力分量是造成金属零件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。材料的应力状态越严重，则发生解理断裂的倾向性越大。

脆性使用温度

图3-57—3-58(2张) 众所周知，随温度的降低金属材料的屈服应力和断裂应力而增加，韧性和韧度下降，解理应力也随着下降。当温度低于该材料临界脆性转变温度时，材料断裂的性质由延性转变为脆性断裂，这个温度称为韧脆转变温度。对某些体心立方金属及合金，由于位错中心区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错，特别是在低温下，这种结构的螺位错难以交滑移，使得派·纳力(在理想晶体中克服点阵阻力移动单位位错所需的临界切应力)随温度的降低迅速升高，这是这类材料的屈服强度或流变应力随温度降低而急剧升高，即对温度产生强烈依赖关系，并因此导致材料脆化的主要原因。此外，韧脆转变温度与零件形状有关，如形状相同的两个零件，其中之一设计有缺口，而另一个无缺口，则带有缺口零件的韧脆转变温度高于无缺口的。图3-57所示为温度与材料的剪切屈服限τ_T和正断抗力S_OT的关系。温度降低使材料的τ_T增加，而S_OT相对不变。

脆性加载速度

试验证明，提高加载速度能促使钢材脆性破坏，其作用相当于降低温度。图3-58所示为加载速度与钢材屈服点δ_S的关系曲线。图中说明钢材的塑性变形抗力随加载速度提高而加强，促进了钢材脆性断裂。

脆性焊接质量

当焊缝中存在气孔、非金属夹杂、偏析、组织粗大及焊接裂纹时，这些缺陷的焊缝往往成为工作时的潜在断裂源。脆性断裂往往出现于钢结构的焊接接头中。其原因是当焊接工艺选择不合适、操作技能不熟练等，焊接接头有时会产生热裂纹、冷裂纹和再热裂纹；焊接是不平衡加热和冷却的过程，在热影响区显微组织中会出现高碳马氏体、上贝氏体、粗大晶粒，甚至魏氏组织等，有这些缺陷的焊缝往往成为工作时的潜在断裂源，导致焊接接头脆化。此外，焊接接头附近微量有害元素的偏聚以及扩散氢含量的增加也使其韧性降低；焊接热循环过程中发生的塑性应变引起热应变时效脆化。^[3]

脆性防止脆性断裂的措施

编辑影响脆性断裂的因素很多，下面主要从零件的设计与制造、材料的冶金和热处理等方面说明防止脆性断裂的途径。 1.零件的设计与制造防止脆性断裂应控制下列因素来进行合理结构设计。即材料的断裂韧性水平，钢结构的工作温度和应力状态，载荷类型及环境因素等。如前所述，温度是引起零件脆断的重要因素之一，设计者必须考虑使零件的工作温度高于材料的临界脆性转变温度(T_c)。若所设计的零件工作温度低于T_c时，则必须降低设计应力水平，使材料不会发生裂纹的扩展；若其设计应力不能降低，则应更换材料，选择韧性更高，T_c更低的材料。在选择材料时，应保证材料具有良好的强韧性以及良好的工艺性能。在进行零件结构和钢结构焊接工艺设计时，应使缺陷所产生的应力集中减少到最低限度，如零件形状圆滑过渡、减少尖角及结构尺寸的不连续性，合理布置焊缝的位置、不交叉焊缝。要选择优质钢材。结构加工后不应存在缺口、凹槽、过深的刀痕等缺陷。焊接时要避免各种缺陷；对质量要求高的钢结构在条件允许的条件下，焊接后应实施消除残余应力退火和对焊缝采用TIG焊重熔等有效措施。 2.冶金方面对钢中的有益元素要保证在规定的范围，而对提高钢脆性转变温度，降低冲击韧性的有害元素和夹杂含量必须控制在规定范围内。对发生脆断事故，首先要看是否含量超标，不超标时也要考虑合金配比是否合适，因为成分符合牌号规范，但配比不合适(如Mn/C比)，其工艺性能或使用性能上达不到要求并引起事故的事例是很多的，如在设计钢的成分时应尽可能地控制一些对钢的回火脆性影响较大元素的配比，使钢的回火脆性不致过大，以及向回火脆性敏感性较大的钢中添加钼和钨，像对回火脆性敏感性较大的铬镍钢、铬锰钢、硅锰钢、铬钒钢等加钼便是如此。此外，钢中偏析、夹杂物、白点、微裂纹等缺陷越多，韧性越低。实践证明，碳、氮、磷、硅等元素会增大钢的冷脆性倾向，镍、少量锰、铜等元素有利于钢获得较高的低温冲击韧性。由于合金元素对钢的冷脆性的影响很复杂，加之还要受其他方面因素的影响，还需具体分析。总之，调整合金元素，降低杂质含量，提高钢的纯净度是降低材料脆断的有效途径。细化晶粒是提高钢材塑性、韧性避免脆断的重要手段。粗晶粒的钢脆性转变温度较细晶粒的为高，如粗晶粒的中碳钢的脆性转变温度，可较细晶粒的钢高40℃。其原因是晶粒越细，晶界面积就越大，晶界对位错运动的阻碍也越大，从而强度提高。此外，晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，变形量越大，变形越均匀，引起的应力集中越小，使材料在断裂之前能承受较大的变形量。又因为晶粒越细，晶界的曲折越多，越不利于裂纹的传播，从而在断裂过程中可吸收更多的能量，表现出较高的韧性，当晶粒细小时，晶界面积增加，又使晶界杂质分散，避免杂质集中产生沿晶脆性断裂。在铝合金中加入钛、锆、钒等或在不锈钢、合金钢中加入钛、钒等元素，形成碳化物，阻止腐蚀和加热时晶粒长大，从而细化晶粒提高韧性。 3.钢材的热处理形变热处理是形变强化与热处理淬火强化相结合的一种复合强化工艺。通过高温形变热处理细化奥氏体的亚结构，细化淬火马氏体，使钢的强度和韧性提高；低温形变热处理除了细化奥氏体亚结构外，还可增加位错密度，促进碳化物弥散沉淀，降低奥氏体含碳量和增加细小板条马氏体的数量，提高钢的强度和韧性；此外，．通过形变热处理还可消除钢的回火脆性，即使钢加热至A_c。温度以上进行变形并立即淬火、回火，这样可使某些钢的回火脆性消除，并得到纤维状断口。亚温淬火时因温度处理两相区，可以形成很细的奥氏体和未熔铁素体两相组织，铁素体-奥氏体相界面比一般淬火的奥氏体晶界面积大许多倍，因而单位相界面上杂质浓度减少，所以采用亚温淬火可以提高钢的低温韧性和抑制高温回火脆性，并显著降低脆性转变温度；此外，亚温淬火的未熔铁素体比奥氏体能溶解较多的硫、磷，进一步降低奥氏体晶界的杂质偏聚浓度，因而可进一步提高钢的韧性，抑制高温回火脆性。通过热处理获得强度、硬度高，塑性和韧性好的低碳马氏体(板条马氏体)。这是因为板条马氏体中碳含量低，形成温度高，有“自回火”作用，且碳化物弥散分布；其次是板条马氏体的胞状位错亚结构中位错分布不均匀，存在低密度位错区，为位错提供了活动余地，由于位错运动降低局部应力集中，可延缓裂纹萌生而对韧性有利；此外，含碳量低，晶格畸变小，淬火应力小，不存在显微裂纹，裂纹通过马氏体条也不易扩展，因此，低碳马氏体具有很高的强度和良好的韧性，同时还具有脆性转变温度低，缺口敏感性小等优点。综上所述，要在提高强度的同时，又能改善韧性，降低脆性，可从三方面着手，其一改善合金的化学成分和冶炼生产方法，去除或固定对韧性不利的有害因素。其二获得可达到最佳韧性的显微组织和相分布。其三细化显微组织，细化晶粒。^[3]

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