金屬材料的斷裂
金屬在外加載荷的作用下，當應力達到材料的斷裂強度時，發生斷裂。
斷裂是裂紋發生和發展的過程。（圖）
1.1. 斷裂的類型
根據斷裂前金屬材料產生塑性變形量的大小，可分為韌性斷裂和脆性斷裂。
韌性斷裂：斷裂前產生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色的纖維狀。
脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，呈光亮的結晶狀。
韌性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區別是裂紋擴散的情況不同。
圖5-1 韌性斷裂和脆性斷裂時裂紋擴展的比較
韌性斷裂和脆性斷裂只是相對的概念，在實際載荷下，不同的材料都有可能發生脆性斷裂；同一種材料又由于溫度、應力、環境等條件的不同，會出現不同的斷裂。
1.2. 斷裂的方式
根據斷裂面的取向可分為正斷和切斷。
正斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應力方向垂直，一般為脆斷，也可能韌斷。
切斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應力方向呈45°，為韌斷
1.3. 斷裂的形式
裂紋擴散的途徑可分為穿晶斷裂和晶間斷裂。
穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內部，韌斷也可為脆斷。
晶間斷裂：裂紋穿越晶粒本身，脆斷。
1.4. 斷口分析
斷口分析是金屬材料斷裂失效分析的重要方法。記錄了斷裂產生原因，擴散的途徑，擴散過程及影響裂紋擴散的各內外因素。所以通過斷口分析可以找出斷裂的原因及其影響因素，為改進構件設計、提高材料性能、改善制作工藝提供依據。
斷口分析可分為宏觀斷口分析和微觀斷口分析。
1.4.1. 宏觀斷口分析
斷口三要素：纖維區，放射區，剪切唇。 
纖維區：呈暗灰色，無金屬光澤，表面粗糙，呈纖維狀，位于斷口中心，是裂紋源。
放射區：宏觀特征是表面呈結晶狀，有金屬光澤，并具有放射狀紋路，紋路的放射方向與裂紋擴散方向平行，而且這些紋路逆指向裂源。
剪切唇：宏觀特征是表面光滑，斷面與外力呈45°，位于試樣斷口的邊緣部位。
1.4.2. 微觀斷口分析
自學
2. 脆性破壞事故分析
脆性斷裂有以下特征：
（1） 脆斷都是屬于低應力破壞，其破壞應力往往遠低于材料的屈服極限。
（2） 一般都發生在較低的溫度，通常發生脆斷時的材料的溫度均在室溫以下20℃。
（3） 脆斷發生前，無預兆，開裂速度快，為音速的1/3。
（4） 發生脆斷的裂紋源是構件中的應力集中處。
防止脆斷的措施
（1） 選用低溫沖擊韌性好的鋼材。
（2） 盡量避免構件中應力集中
（3） 注意使用溫度。
3. 韌-脆性轉變溫度
為了確定材料的脆性轉變溫度，進行了大量的試驗研究工作。如果把一組有缺口的金屬材料試樣，在整個溫度區間中的各個溫度下進行沖擊試驗。
低碳鋼典型的韌-脆性轉變溫度。隨著溫度的降低，材料的沖擊值下降，同時在斷裂面上的結晶狀斷面部分增加，亦即材料的韌性降低，脆性增加。
有幾種方法
（1） 沖擊值降低至正常沖擊值的50～60%
（2） 沖擊值降至某一特定的、所允許的最低沖擊值時的溫度。
（3） 以產生最大與最小沖擊值平均時的相應溫度
（4） 斷口中結晶狀斷面占面積50%時的溫度
對于厚度在40mm以下的船用軟鋼板，夏比V型缺口沖擊能量為25.51J/cm2時的溫度作為該材料的脆性轉變溫度。
4. 無塑性溫度
韌-脆性轉變溫度是針對低碳鋼和低碳錳鋼，其它鋼材，無法進行大量試驗。
依靠其它試驗方法，定出該材料的“無塑性溫度”NDT
（1） 爆炸鼓脹試驗
正方的試樣板上堆上一小段脆性焊道，在焊道上鋸一缺口。在試樣上方爆炸，根據試樣破壞情況判斷是否塑性破壞。
平裂，凹裂，鼓脹撕裂
（2） 落錘試驗 
5. 金屬材料產生脆性斷裂的條件
5.1. 溫度
任何一種斷裂都具有兩個強度指標，屈服強度和表征裂紋失穩擴散的臨界斷裂強度。
溫度高，原子運動熱能大，位錯源釋放出位錯，移動吸收能量；溫度低反之。
5.2. 缺陷
5.2.1. 材料韌性
裂紋尖端應力大，韌性好發生屈服，產生塑性變形，限制裂紋進一步擴散。
5.2.2. 裂紋長度
裂紋越長，越容易發生脆性斷裂。
5.2.3. 缺陷尖銳程度
越尖銳，越容易發生脆性斷裂。
5.3. 厚度
鋼板越厚，沖擊韌性越低，韌-脆性轉變溫度越高。
原因：
（1）越厚，在厚度方向的收縮變形所受到的約束作用越大，使約束應力增加，在鋼板厚度范圍內形成平面應變狀態。
（2） 冶金效應，厚板中晶粒較粗大，內部產生的偏析較多。
5.4. 加載速度
低強度鋼，速度越快，韌-脆性轉變溫度降低。
6. 金屬材料的脆化現象
分兩類：
（1） 在一定溫度條件下出現的脆性，溫度條件改變后，脆性自行消失，或者在一定溫度條件下，經一定時間后出現的脆性。
這種情況下，金屬的組織變化不明顯。有冷脆性，熱脆性，紅脆性及回火脆性。
（2）由于應力的反復作用，介質的浸蝕以在高溫下長期工作后，金屬組織改變引起的脆化現象。這種脆性無法消除或要通過一定的特殊方法消除。如苛性脆化，氫脆，熱疲勞，石墨化。
6.1. 冷脆性
冷脆性：金屬材料在低溫下呈現的沖擊值明顯降低的現象。
影響因素：化學成分
（1） 含碳量
（2） 錳
（3） 鎳
（4） 磷
6.2. 熱脆性
熱脆性：某些鋼材長時間停留在400～500℃溫度區間再冷卻至室溫，其沖擊值有明顯下降。
影響因素：
（1） 化學成分
含C量，鉻錳鉬磷等
（2） 保溫時間
不同鋼產生熱脆性所需的保溫時間不同
（3） 熱處理
調質處理可阻止熱脆性產生。
6.3. 紅脆性
含S較多的鋼中，在800～900℃以上呈現較大脆性。S化物以網關分布在晶界上。
消除方法：
（1） 長時間高溫退火，使網狀S化物變為球狀。
（2） 加入錳，硫化錳以點狀，球狀存在于晶界上。
6.4. 回火脆性
對于一般鋼回火可提高沖擊韌性。
但某些鋼在回火后，沖擊韌性反而降低。回火脆性。
6.4.1. 第一類回火脆性
發生在合金結構鋼中。但某些鋼在250～400℃回火后，沖擊韌性反而降低。實際遇到機會少。
6.4.2. 第二類回火脆性
在450～600℃長時間回火或在更高溫度（600～700℃）回火后，出現常溫沖擊韌性下降。
再次回火消除
或加入鉬鎢防止。
對于一般鋼回火可提高沖擊韌性。
6.5. 苛性脆化
苛性脆化：金屬材料的局部高應力區與具有一定濃度的氫氧化鈉溶液相接觸而發生的電化學晶間腐蝕脆化現象稱為苛性脆化。
材料在高應力作用下，晶粒本體與晶界產生電位差，當與具有一定濃度的氫氧化鋼溶液相接觸，晶界部位的鐵離子將進入溶液中，與溶液中的氫氧根離子發生電化學反應。
如果溶液中的氫氧化鈉濃度較高，溶液中的氫氧根負離子較多，促使晶界部位的鐵離子大量進入溶液，發生電化學反應，從而形成晶間裂紋，導致苛性脆化。
材料產生苛性脆化必須具備三個條件：
（1） 在材料中需存在較高的局部應力，對于碳素鋼高達250MPa ；
（2） 需具有較高濃度的氫氧化鋼溶液與材料的局部高應力區相接觸，并且在溶液中需具有能加速反應的催化劑；
（3） 需具有一定溫度。
在鍋爐的鉚接或脹接部位最易發生苛性脆化。
應力： 工作應力+聯接應力+附加應力
化學成分：鉚接或脹接處鍋水滲漏，濃縮
溫度：低壓鍋爐為200℃，中壓鍋爐為250℃，高壓鍋爐為300℃
6.6. 氫脆
金屬在外加載荷的作用下，當應力達到斷裂強度時，發生斷裂。
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