第5章 金属材料的脆性

第5章 金属材料的脆性
5.1. 金属材料的断裂
金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。
断裂是裂纹发生和发展的过程。（图）
5.1.1. 断裂的类型
根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。
脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。
韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。
图5-1 韧性断裂和脆性断裂时裂纹扩展的比较
韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。
5.1.2. 断裂的方式
根据断裂面的取向可分为正断和切断。
正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。
切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断
5.1.3. 断裂的形式
裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。
穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。
晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。
5.1.4. 断口分析
断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。
断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。
5.1.4.1. 宏观断口分析
断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。
纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。
放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。
剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。
5.1.4.2. 微观断口分析
自学
5.2. 脆性破坏事故分析
脆性断裂有以下特征：
（1） 脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。
（2） 一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。
（3） 脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3。
（4） 发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。
防止脆断的措施
（1） 选用低温冲击韧性好的钢材。
（2） 尽量避免构件中应力集中
（3） 注意使用温度。
5.3. 韧-脆性转变温度
为了确定材料的

脆性转变温度，进行了大量的试验研究工作。如果把一组有缺口的金属材料试样，在整个温度区间中的各个温度下进行冲击试验。
低碳钢典型的韧-脆性转变温度。随着温度的降低，材料的冲击值下降，同时在断裂面上的结晶状断面部分增加，亦即材料的韧性降低，脆性增加。
有几种方法
（1） 冲击值降低至正常冲击值的50～60%
（2） 冲击值降至某一特定的、所允许的最低冲击值时的温度。
（3） 以产生最大与最小冲击值平均时的相应温度
（4） 断口中结晶状断面占面积50%时的温度
对于厚度在40mm以下的船用软钢板，夏比V型缺口冲击能量为25.51J/cm2时的温度作为该材料的脆性转变温度。
5.4. 无塑性温度
韧-脆性转变温度是针对低碳钢和低碳锰钢，其它钢材，无法进行大量试验。
依靠其它试验方法，定出该材料的“无塑性温度”NDT
（1） 爆炸鼓胀试验
正方的试样板上堆上一小段脆性焊道，在焊道上锯一缺口。在试样上方爆炸，根据试样破坏情况判断是否塑性破坏。
平裂，凹裂，鼓胀撕裂
（2） 落锤试验
5.5. 金属材料产生脆性断裂的条件
5.5.1. 温度
任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。
温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。
5.5.2. 缺陷
5.5.2.1. 材料韧性
裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。
5.5.2.2. 裂纹长度
裂纹越长，越容易发生脆性断裂。
5.5.2.3. 缺陷尖锐程度
越尖锐，越容易发生脆性断裂。
5.5.3. 厚度
钢板越厚，冲击韧性越低，韧-脆性转变温度越高。原因：（1）越厚，在厚度方向的收缩变形所受到的约束作用越大，使约束应力增加，在钢板厚度范围内形成平面应变状态。（2） 冶金效应，厚板中晶粒较粗大，内部产生的偏析较多。
5.5.4. 加载速度
低强度钢，速度越快，韧-脆性转变温度降低。
5.6. 金属材料的脆化现象
分两类：
（1） 在一定温度条件下出现的脆性，温度条件改变后，脆性自行消失，或者在一定温度条件下，经一定时间后出现的脆性。
这种情况下，金属的组织变化不明显。有冷脆性，热脆性，红脆性及回火脆性。
（2）由于应力的反复作用，介质的浸蚀以在高温下长期工作后，金属组织改变引起的脆化现象。这种脆性无法消除或要通过一定的特殊方法消除。如苛性脆化，氢脆，热疲劳，石墨化。
5.6.1. 冷脆性
冷脆性：金属材料在低温下呈现的冲击值明显降低的现象。
影响因素：化学成分
（1） 含碳量
（2）

锰
（3） 镍
（4） 磷
5.6.2. 热脆性
热脆性：某些钢材长时间停留在400～500℃温度区间再冷却至室温，其冲击值有明显下降。
影响因素：
（1） 化学成分
含C量，铬锰钼磷等
（2） 保温时间
不同钢产生热脆性所需的保温时间不同
（3） 热处理
调质处理可阻止热脆性产生。
5.6.3. 红脆性
含S较多的钢中，在800～900℃以上呈现较大脆性。S化物以网关分布在晶界上。
消除方法：
（1） 长时间高温退火，使网状S化物变为球状。
（2） 加入锰，硫化锰以点状，球状存在于晶界上。
5.6.4. 回火脆性
对于一般钢回火可提高冲击韧性。
但某些钢在回火后，冲击韧性反而降低。回火脆性。
5.6.4.1. 第一类回火脆性
发生在合金结构钢中。但某些钢在250～400℃回火后，冲击韧性反而降低。实际遇到机会少。
5.6.4.2. 第二类回火脆性
在450～600℃长时间回火或在更高温度（600～700℃）回火后，出现常温冲击韧性下降。
再次回火消除
或加入钼钨防止。
对于一般钢回火可提高冲击韧性。
5.6.5. 苛性脆化
苛性脆化：金属材料的局部高应力区与具有一定浓度的氢氧化钠溶液相接触而发生的电化学晶间腐蚀脆化现象称为苛性脆化。
材料在高应力作用下，晶粒本体与晶界产生电位差，当与具有一定浓度的氢氧化钢溶液相接触，晶界部位的铁离子将进入溶液中，与溶液中的氢氧根离子发生电化学反应。
如果溶液中的氢氧化钠浓度较高，溶液中的氢氧根负离子较多，促使晶界部位的铁离子大量进入溶液，发生电化学反应，从而形成晶间裂纹，导致苛性脆化。
材料产生苛性脆化必须具备三个条件：
（1） 在材料中需存在较高的局部应力，对于碳素钢高达250MPa ；
（2） 需具有较高浓度的氢氧化钢溶液与材料的局部高应力区相接触，并且在溶液中需具有能加速反应的催化剂；
（3） 需具有一定温度。
在锅炉的铆接或胀接部位最易发生苛性脆化。
应力： 工作应力+联接应力+附加应力
化学成分：铆接或胀接处锅水渗漏，浓缩 温度：低压锅炉为200℃，中压锅炉为250℃，高压锅炉为300℃
5.6.6. 氢脆 金属在外加载荷的作用下，当应力达到断裂强度时，发生断裂。