脆性是指材料受到外力時（如拉伸、沖擊等），其內(nèi)部容易產(chǎn)生裂紋并破壞的性質(zhì)。脆性物質(zhì)在發(fā)生斷裂前無明顯塑性變形，即使強度很高，也只能吸收較少的能量。
簡介
聚合物脆性與聚合物結(jié)構(gòu)及使用條件(溫度、外力作用速率等)有關(guān)，柔性鏈高分子聚合物脆性小，韌性好；剛性鏈有機高分子化合物則相反。常用沖擊強度或斷裂伸長表征聚合物的脆性。
“物體受拉力或沖擊時，容易破碎的性質(zhì)?！?/p>
“材料在斷裂前未覺察到的塑性變形的性質(zhì)。”
“脆性是指當外力達到一定限度時，材料發(fā)生無先兆的突然破壞，且破壞時無明顯塑性變形的性質(zhì)。脆性材料力學性能的特點是抗壓強度遠大于抗拉強度，破壞時的極限應(yīng)變值極小。磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、生鐵等都是脆性材料。與韌性材料相比，它們對抵抗沖擊荷載和承受震動作用是相當不利的?！?/p>
分類
回火脆性
淬火成馬氏體后，在回火過程中，一般情況下隨著回火溫度的升高，硬度和強度降低，塑性和韌度提高。但是有些情況下，在某一溫度區(qū)間回火時，韌度指標隨回火溫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。鋼在回火過程中，可能發(fā)生兩種類型的脆性：一種脆性通常發(fā)生在火馬氏體于200～450℃回火溫度區(qū)間，這類回火脆性碳鋼一般在200～400℃范圍內(nèi)出現(xiàn)，合金鋼中一般在250～450℃會出現(xiàn)，如將已經(jīng)產(chǎn)生回火脆性的工件在更高一些的溫度回火后，其脆性將消失，即使再在產(chǎn)生這種回火脆性的溫度下進行回火，也不會重新產(chǎn)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(fā)生在某些合金結(jié)構(gòu)鋼中，這些鋼在450～650℃回火的情況下發(fā)生脆化，這種脆性可以采用重新加熱回火，隨后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)。
低溫脆性
溫度是影響金屬材料和工程結(jié)構(gòu)斷裂方式的重要因素之一。許多斷裂事故發(fā)生在低溫。這是由于溫度對工程上廣泛使用的低中強度結(jié)構(gòu)鋼和生鐵的性能影響很大，隨著溫度的降低，鋼的屈服強度增加，韌度降低。隨著溫度降低，缺口沖擊試樣的斷裂形式在某一溫度范圍內(nèi)由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/hebeideji/288942939141412062.html">脆性斷裂。這種隨溫度降低材料由韌性向脆性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱做低溫脆性或冷脆。這種斷裂形式的轉(zhuǎn)變，通常用一個特定的轉(zhuǎn)變溫度表示材料抵抗低溫脆性斷裂的能力，穿晶脆斷主要是解理斷裂，常見的低溫脆性斷裂大多數(shù)是沿解理面的穿晶斷裂；而晶間脆斷通常在應(yīng)力腐蝕或發(fā)生回火脆性的情況下出現(xiàn)。
氫脆性
金屬材料中由于含有氫或在含氫的環(huán)境中工作，其塑性和韌度下降的現(xiàn)象稱為氫脆。氫在立方晶系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(fā)生氫脆，但相對來說，氫脆敏感性小。一般認為，當鋼中含氫量低于2～3cm3/100g時，不會發(fā)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(nèi)部已經(jīng)存在的氫而發(fā)生的氫脆稱為內(nèi)部氫脆；材料在服役過程中，從環(huán)境中吸收了氫而導(dǎo)致的脆化稱為環(huán)境氫脆。氫脆現(xiàn)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(jīng)造成了材料的永久性損傷，即使經(jīng)過去氫處理，氫脆現(xiàn)象也不能消除的情況，稱為不可逆氫脆。發(fā)生氫脆時，材料的斷裂方式多數(shù)情況下由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/hebeideji/288942939141412062.html">脆性斷裂。
影響原因
拉應(yīng)力
塑性變形主要是由于金屬晶體內(nèi)沿滑移面發(fā)生滑移，引起滑移的力學因素是切應(yīng)力。金屬材料受外力作用時，在不同的截面上會產(chǎn)生不同的拉應(yīng)力和切應(yīng)力。切應(yīng)力促進塑性變形，是位錯移動的推動力，而拉應(yīng)力則只促進脆性裂紋的擴展。當零件存在缺陷(如尖銳缺口、刀痕、預(yù)存裂紋、疲勞裂紋等)、應(yīng)力集中，同時在拉伸應(yīng)力的作用下，即在缺陷根部產(chǎn)生三軸拉應(yīng)力。
在三軸拉伸時，最大應(yīng)力超出單軸拉伸時的屈服應(yīng)力，極易導(dǎo)致脆性斷裂。因此，應(yīng)力集中的作用以及除載荷作用方向以外的拉應(yīng)力分量是造成金屬零件在靜態(tài)低負荷下產(chǎn)生脆性斷裂的重要原因。材料的應(yīng)力狀態(tài)越嚴重，則發(fā)生解理斷裂的傾向性越大。
使用溫度
眾所周知，隨溫度的降低金屬材料的屈服應(yīng)力和斷裂應(yīng)力而增加，韌性和韌度下降，解理應(yīng)力也隨著下降。當溫度低于該材料臨界脆性轉(zhuǎn)變溫度時，材料斷裂的性質(zhì)由延性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，這個溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。對某些立方晶系金屬及合金，由于位錯中心區(qū)螺位錯非共面擴展為三葉位錯或兩葉位錯，特別是在低溫下，這種結(jié)構(gòu)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(yīng)力)隨溫度的降低迅速升高，這是這類材料的屈服強度或流變應(yīng)力隨溫度降低而急劇升高，即對溫度產(chǎn)生強烈依賴關(guān)系，并因此導(dǎo)致材料脆化的主要原因。
加載速度
試驗證明，提高加載速度能促使鋼材脆性破壞，其作用相當于降低溫度。
焊接質(zhì)量
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(xiàn)于鋼結(jié)構(gòu)的焊接接插件中。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(chǎn)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(qū)顯微組織中會出現(xiàn)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(dǎo)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(huán)過程中發(fā)生的塑性應(yīng)變引起熱應(yīng)變時效脆化。
防止措施
零件的設(shè)計與制造
防止脆性斷裂應(yīng)控制下列因素來進行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計。即材料的斷裂韌性水平，鋼結(jié)構(gòu)的工作溫度和應(yīng)力狀態(tài)，載荷類型及環(huán)境因素等。
如前所述，溫度是引起零件脆斷的重要因素之一，設(shè)計者必須考慮使零件的工作溫度高于材料的臨界脆性轉(zhuǎn)變溫度(Tc)。若所設(shè)計的零件工作溫度低于Tc時，則必須降低設(shè)計應(yīng)力水平，使材料不會發(fā)生裂紋的擴展；若其設(shè)計應(yīng)力不能降低，則應(yīng)更換材料，選擇韌性更高，Tc更低的材料。在選擇材料時，應(yīng)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(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝設(shè)計時，應(yīng)使缺陷所產(chǎn)生的應(yīng)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(jié)構(gòu)尺寸的不連續(xù)性，合理布置焊縫的位置、不交叉焊縫。要選擇優(yōu)質(zhì)鋼材。結(jié)構(gòu)加工后不應(yīng)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(zhì)量要求高的鋼結(jié)構(gòu)在條件允許的條件下，焊接后應(yīng)實施消除殘余應(yīng)力退火和對焊縫采用TIG焊重熔等有效措施。
冶金方面
對鋼中的有益元素要保證在規(guī)定的范圍，而對提高鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性的有害元素和夾雜含量必須控制在規(guī)定范圍內(nèi)。對發(fā)生脆性斷裂事故，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(guī)范，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并引起事故的事例是很多的，如在設(shè)計鋼的成分時應(yīng)盡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，、少量錳、銅等元素有利于鋼獲得較高的低溫沖擊韌性。由于合金元素對鋼的冷脆性的影響很復(fù)雜，加之還要受其他方面因素的影響，還需具體分析。總之，調(diào)整合金元素，降低雜質(zhì)含量，提高鋼的純凈度是降低材料脆性斷裂的有效途徑。
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(zhuǎn)變溫度較細晶粒的為高，如粗晶粒的中碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，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(nèi)的晶粒數(shù)目越多，變形量越大，變形越均勻，引起的應(yīng)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，越不利于裂紋的傳播，從而在斷裂過程中可吸收更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性，當晶粒細小時，晶界面積增加，又使晶界雜質(zhì)分散，避免雜質(zhì)集中產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。在鋁合金中加入鈦、鋯、釩等或在不銹鋼、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。
鋼材熱處理
形變熱處理是形變強化與熱處理淬火強化相結(jié)合的一種復(fù)合強化工藝。通過高溫形變熱處理細化奧氏體的亞結(jié)構(gòu)，細化淬火馬氏體，使鋼的強度和韌性提高；低溫形變熱處理除了細化奧氏體亞結(jié)構(gòu)外，還可增加位錯密度，促進碳化物彌散沉淀，降低奧氏體含碳量和增加細小板條馬氏體的數(shù)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Ac。溫度以上進行變形并立即淬火、回火，這樣可使某些鋼的回火脆性消除，并得到纖維狀斷口。
亞溫淬火時因溫度處理兩相區(qū)，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(zhì)濃度減少，所以采用亞溫淬火可以提高鋼的低溫韌性和抑制高溫回火脆性，并顯著降低脆性轉(zhuǎn)變溫度；此外，亞溫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(zhì)偏聚濃度，因而可進一步提高鋼的韌性，抑制高溫回火脆性。
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，形成溫度高，有“自回火”作用，且碳化物彌散分布；其次是板條馬氏體的胞狀位錯亞結(jié)構(gòu)中位錯分布不均勻，存在低密度位錯區(qū)，為位錯提供了活動余地，由于位錯運動降低局部應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)變溫度低，缺口敏感性小等優(yōu)點。
參考資料 >