温度对材料的韧-脆转变影响分析

材料会发生韧性断裂还是脆性断裂，除了与材料的自身因素（材料的成分、组织结构、杂质分布等）有关以外，还与材料使用时的外部因素（应力状态、环境温度、形变速率和环境介质等）有关。因此，材料会发生韧性断裂还是脆性断裂并不是一定的。在某些条件下发生韧性断裂的材料，在另一些条件下可能会发生脆性断裂。增大材料厚度，使材料的受力状态由平面应力变为平面应变，提高应变速度，降低环境温度等，都可使材料变脆；此外，杂质在晶界偏析，以及尖锐切口的存在也会使材料变脆。

在室温条件下发生韧性断裂的材料，在低温环境下，或高应变速度加载，或处于复杂应力状态、存在力学约束等情况下，也会发生脆性断裂。这种现象称为韧-脆转变（ductile-to-brittle transition）。发生韧-脆转变时，既有可能发生断裂机理的改变，如由微孔洞汇聚断裂转变为解理断裂，也有可能不改变断裂机理，而仅仅是塑性变形大大减小。

温度对低碳钢韧-脆转变的影响如图6-17所示。其中图6-17（a）为光滑试样的韧-脆转变示意图，图中A区是由于微孔洞汇聚而产生的韧性断裂区；C区是几乎不发生塑性变形的解理脆性断裂区；B区是转变区域。在B区内，断裂应力、断面收缩率和韧性断裂的断面比率都发生急剧的变化。一般将韧性断裂的断面比率为50%时的温度定义为断裂模式转变温度（fracture appearance transition temperature，FATT）。在B区，形成的解理裂纹越过最初障碍（晶界等）所需的应力就是相应的断裂强度。而C区的断裂强度取决于解理裂纹的成核条件。

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图6-17　低碳钢韧-脆转变

（a）光滑试样；（b）缺口试样

缺口试样也有类似的韧-脆转变特性，如图6-17（b）所示。缺口试样的转变温度较相同材料的光滑试样要高，即在某一温度条件下，光滑试样发生韧性断裂时，同一材料的缺口试样有可能发生脆性断裂。这是由于缺口根部的塑性约束效应使名义上的屈服应力增大了。在C区，缺口试样会在远低于σys的应力下发生解理断裂，称之为低应力脆断。