用於（yú）各行業的鋼（gāng）材品種有（yǒu）千餘種之多。每種鋼材（cái）都因不同的性能、化學成分或合金種類和含量而具有不同的商品名稱。雖然斷裂韌性值大大方便了每種鋼的選擇，然而這些參（cān）數很難適用（yòng）於所有（yǒu）鋼材。
主要原因有：第（dì）一，因為（wéi）在鋼的冶煉時需加入一定數量的某種或多種合金元素，成材後再經簡單熱處理便可獲得不同的顯微組織，從而改變（biàn）了鋼的原（yuán）有性能；第二，因為煉鋼和澆注過程中產生的缺陷，特別是集中缺陷（如氣孔、夾雜等（děng））在軋製時極其敏感，並且（qiě）在同一化學成分鋼（gāng）的（de）不同爐次之間，甚至在同一鋼坯的不同部位發生不同的改變，從而（ér）影（yǐng）響鋼材的質量。
由於鋼材韌性主要取決於顯微結構和缺陷的分散（嚴防（fáng）集中缺陷）度，而不是（shì）化學成分。所以，經熱處理後韌性會發生很大（dà）變化（huà）。要深入探究鋼材性（xìng）能及其斷裂原因，還需掌握物理冶金學和顯微組織與鋼材韌性的關係（xì）。
1. 鐵素體-珠光體鋼斷裂（liè）
鐵素體-珠光體鋼占鋼總產量的絕大多數。它們通常是含碳量在（zài）0.05%～0.20%之間的鐵-碳和為提高屈服強度及韌性（xìng）而加入的其它少量合金元素的合金。
鐵素體-珠光體的顯微組織（zhī）由BBC鐵（鐵素體）、0.01%C、可溶合金和Fe3C組成。在碳含量很低的碳鋼中，滲（shèn）碳體顆粒（lì）（碳（tàn）化物）停留在鐵素體晶粒邊界和晶粒之中。但當碳含量高（gāo）於0.02%時，絕大（dà）多數（shù）的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結構，而稱為珠光體，同時趨向於作（zuò）為“晶粒”和球結（晶界（jiè）析出（chū）物）分散在鐵素體基（jī）體中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳鋼顯微組織中，珠光（guāng）體含量占10%～25%。
盡管珠光體顆粒很堅硬，但（dàn）卻能非常（cháng）廣泛地（dì）分散在鐵素體基體上，並且圍繞（rào）鐵素體（tǐ）輕鬆地變形。通常（cháng），鐵素體的晶粒（lì）尺寸會（huì）隨著珠光體含量的（de）增加而（ér）減小。因為珠光體球結的形成（chéng）和轉化會妨礙鐵素體晶粒長大（dà）。因此，珠光體會通過（guò）升高d-1/2（d為晶粒平均直徑）而間接（jiē）升高拉伸屈服（fú）應（yīng）力（lì）δy。
從（cóng）斷裂分析的觀點看，在低碳鋼中有兩種含碳量範圍的鋼（gāng），其性能（néng）令人（rén）關注。一是，含碳量在（zài）0.03%以下（xià），碳以珠（zhū）光體球結的形式存在，對鋼的韌性影響較小；二是，含碳量（liàng）較（jiào）高時，以球（qiú）光體形（xíng）式直接影（yǐng）響韌性和夏（xià）比曲線。
2. 處（chù）理工藝的影響
實踐得知，水淬火鋼的衝擊性能優於退火或正（zhèng）火鋼的衝擊性能，原因在於快冷阻止（zhǐ）了滲碳體在晶界形成，並（bìng）促使鐵素體晶粒變（biàn）細。
許多鋼材是在熱軋狀態下銷售，軋製條件對衝擊性能有很（hěn）大影響。較低的終（zhōng）軋溫度會降低衝擊轉變溫度，增大冷卻速度和促使鐵（tiě）素體晶粒變細，從而提高鋼材韌性。厚板因冷卻速度（dù）比薄板慢，鐵素體晶粒比薄（báo）板粗大。所以，在同樣的熱處理（lǐ）條件下（xià）厚板比（bǐ）薄板更脆性。因此，熱軋（zhá）後常用正（zhèng）火處理以改善鋼板性能。
熱軋（zhá）也可生（shēng）產各向異性鋼和各種混合組織、珠光體帶、夾雜晶界與軋製方向（xiàng）一致（zhì）的定向韌（rèn）性（xìng）鋼（gāng）。珠光體帶（dài）和拉長後的夾雜粗大分散成（chéng）鱗片狀，對夏比轉變（biàn）溫度範圍（wéi）低溫處的缺口韌性有很大影響。
3. 鐵素體-可溶合金元素的影響
絕大多數合金元素加入低碳鋼，是為（wéi）了生產在某些環境溫度下的固溶體（tǐ）硬（yìng）化鋼，提高晶格摩擦應力δi。但目前還不能僅用公式預測較低屈服應（yīng）力，除非已知晶（jīng）粒尺（chǐ）寸。雖然屈（qū）服應力的決（jué）定因素是正火溫度和冷卻速度（dù），然（rán）而這種研究（jiū）方（fāng）法仍很重要，因為可以通過提（tí）高δi預測單個合金元素可降低韌性的範圍。
鐵素體鋼的無塑性轉變（NDT）溫度和夏比轉變溫度的回歸分析至今尚無報導（dǎo），然而這些也僅限於加入單個合（hé）金元素對韌性影響的定性討論。以下就幾種合金元素對鋼性能的影響作簡要介紹。
1）錳。絕大多數的錳含量約為（wéi）0.5%。作為脫氧劑或固（gù）硫劑加入可防止鋼的熱裂。在低碳鋼中還有以下作用（yòng）。
含碳量0.05%鋼，空冷或爐冷後有降低晶粒邊界滲碳體薄（báo）膜形成的（de）趨勢。
可稍減小鐵素體晶粒尺寸。
可產生大量而細小的珠光體顆粒。
前兩種作用說明NDT溫度隨著錳量的增加而降低，後兩（liǎng）種作用會引起夏比曲線（xiàn）峰值更尖。
鋼含碳量較高時，錳能顯著降（jiàng）低（dī）約50%轉變溫度。其原因（yīn）可能是（shì）因珠光（guāng）體量多，而不是滲碳體（tǐ）在邊界的分布（bù）。必須注意的是，如果鋼的含碳量高於0.15%，高錳含量對正火鋼的衝擊性能影響起到了決定性作用。因（yīn）為鋼的高淬透性引起奧氏體轉變成脆（cuì）性的上貝氏體，而不是鐵（tiě）素體或珠光體。
2）鎳。加入（rù）鋼中（zhōng）的作用似錳，可改善鐵-碳合（hé）金韌性。其作（zuò）用大小取決於含碳量和熱處理。在含碳量（約0.02%）很低的鋼中，加入量達到2%就能防止（zhǐ）熱軋態和正火（huǒ）鋼晶（jīng）界滲碳體的形（xíng）成，同時（shí）實質降低開（kāi）始轉變溫度TS，升高夏比衝擊曲線峰值。
進（jìn）一（yī）步增加鎳含量，改善衝擊韌性效果則降低。如（rú）果這時含碳量（liàng）低至正火後無碳化物出現時，鎳對轉變溫度的影（yǐng）響將變得很有限。在含碳約0.10%的正火鋼中加入鎳，***大的好處是細化晶粒和降低遊離氮含量，但其機理目前尚不清楚。可能是由於鎳作（zuò）為奧氏體的穩定劑從而降低（dī）了奧氏體分解的溫度。
3）磷。在純淨的鐵-磷合金（jīn）中，由於鐵素體晶界會發生磷偏析降低了抗拉強度Rm而使晶粒之間脆化。此外，由於磷還是鐵素體的穩定劑。所以，加（jiā）入鋼中（zhōng）將大大增加δi值和鐵素體晶粒尺寸。這些（xiē）作用的綜合將使磷成為極其有害的脆化劑，發生穿晶斷裂。
4）矽（guī）。鋼中加（jiā）矽是為了脫氧，同時有益於提（tí）高衝擊性（xìng）能（néng）。如果鋼中同時存（cún）在錳和鋁（lǚ），大（dà）部（bù）分矽在鐵素體中溶解（jiě），同時通過固溶化硬化作（zuò）用提高δi。這種作用與加入（rù）矽提高衝擊性能（néng）綜合的（de）結果是，在穩定晶粒尺寸的鐵-碳合金中按重量百分比加入矽，使50%轉變溫度升（shēng）高約44℃。此外，矽與磷相似，是鐵素鐵的穩定劑，能促進鐵素體晶（jīng）粒長大。按重量百分數計（jì），矽加入正火鋼中將提高平均能量轉換溫度約60℃。
5）鋁。以合金和脫氧劑的作用加入鋼中有（yǒu）以下兩方（fāng）麵的原因（yīn）：第（dì）一，與溶（róng）體中的氮生成AlN，去除遊離氮；第（dì）二，AlN的形成細（xì）化了鐵素體晶粒。這兩種作用的（de）結果是，每增（zēng）加（jiā）0.1%的（de）鋁，將使轉變溫度降低約40℃。然而，當鋁的加入量超過了需要，“固化”遊離氮的作用（yòng）將（jiāng）變（biàn）弱。
6）氧。鋼中的氧會（huì）在晶（jīng）界產（chǎn）生偏（piān）析導致鐵合金晶間斷裂。鋼中氧含量高至0.01%，斷（duàn）裂（liè）就（jiù）會（huì）沿（yán）著脆化晶粒的（de）晶（jīng）界產生的連續通道發生。即使鋼中含氧量很低，也會使裂紋在晶界集中成核，然後（hòu）穿（chuān）晶擴（kuò）散。解（jiě）決氧脆化問題（tí）的方法是，可加入脫氧劑碳、錳、矽、鋁和鋯，使其和氧結合生成氧化物顆粒，而將氧（yǎng）從晶界去除。氧化物顆粒也是延（yán）遲（chí）鐵素體生長和（hé）提高d-/2的有利物質。
4. 含碳量在0.3%～0.8%的（de）影（yǐng）響
亞共析鋼的含碳量在0.3%～0.8%，先共析鐵素體是連（lián）續相並首先在奧氏體晶界形成。珠光體在奧（ào）氏體（tǐ）晶粒內形成（chéng），同時占（zhàn）顯微組織的35%～100%。此外，還有多種聚集組（zǔ）織在每一個奧氏體晶粒內形成（chéng），使珠光體成為多（duō）晶體。
由於珠光體（tǐ）強度比先共析鐵素體高，所以（yǐ）限製了鐵素體的流動，從而使鋼的屈服強度（dù）和應變硬化率隨著珠光體含碳量（liàng）的（de）增（zēng）加而增加。限（xiàn）製作用隨（suí）硬化塊數量增加，珠光體對先共析晶粒尺寸的細化（huà）而增強。
鋼中（zhōng）有大量珠光體時，形變過程中會在低溫和/或高應變率時形成微型解理裂紋。雖（suī）然也有某些內部聚集組織斷麵，但斷裂通道***初還（hái）是沿著解理麵穿行。所以，在鐵素體（tǐ）片之間、相鄰聚集組織（zhī）中的鐵（tiě）素體晶粒內有某些擇優取向。
5. 貝氏體鋼（gāng）斷裂
在含碳量為0.10%的低碳鋼中加入（rù）0.05%鉬和硼可優化通常發生在700～850℃奧氏體-鐵素體轉變，且不影響其後在450℃和675℃時奧氏（shì）體-貝氏體轉變的（de）動力（lì）學（xué）條件（jiàn）。
在大約（yuē）525～675℃之間形（xíng）成的貝氏體，通常稱為“上貝氏體（tǐ）”；在450～525℃之間（jiān）形成的稱為“下貝氏（shì）體”。兩種組織均由（yóu）針狀鐵素體和分散的碳化物組（zǔ）成。當轉變（biàn）溫度從675℃降至450℃時，未（wèi）回火貝氏體的抗拉強度會（huì）從585MPa升高至1170MPa。
因為轉變溫度由合金元素含量決定，並間接（jiē）影響屈服和抗拉強度。這些鋼獲得的高強度是以（yǐ）下（xià）兩（liǎng）種作用的結（jié）果：
1）當轉變溫度降低時，貝（bèi）氏體鐵素（sù）體片尺寸不斷細化。
2）在下貝氏體內（nèi）精（jīng）細（xì）的（de）碳化物不斷分散。這些鋼的斷口特征在（zài）很大程度（dù）上取決於抗拉（lā）強度和轉變溫度。
有兩種作用要（yào）注意：第一，一定的抗拉強度級別，回火下貝氏體（tǐ）的夏比衝擊性能遠遠優於未回火的上貝氏體（tǐ）。原因是在上貝氏體中，球光體內的解理小平麵切割了若幹貝氏體晶粒，決定斷裂的主（zhǔ）要尺（chǐ）寸是奧氏體晶粒尺寸。
在（zài）下貝氏體中，針狀鐵素體內的解理麵未排成一直線，因此決（jué）定準（zhǔn）解理斷裂麵是否斷裂（liè）的主要特征是針狀鐵素體晶粒尺寸。因為這裏的針狀鐵素體晶粒尺寸僅為上貝氏體中的奧氏體晶粒尺寸的（de）1/2。所以，在同一（yī）強度級別，下貝氏體轉變溫度比上貝氏體低許多。
除了上麵的原因之外是碳化（huà）物（wù）分布。在上（shàng）貝氏體中碳化物位（wèi）於（yú）晶界沿（yán）線，並通過降低抗拉強度Rm增加脆性。在（zài）回火的下貝氏體中，碳化物（wù）非常均勻地分（fèn）布的鐵素體（tǐ）中，同時通過限製解理裂紋以提高抗（kàng）拉強度並（bìng）促（cù）進球化珠光體細化。
第二，要注意（yì）的（de）是未回火合（hé）金（jīn）中轉（zhuǎn）變溫度與抗（kàng）拉強度的變化。在上貝氏體中，轉變溫度的降低會使針狀鐵素體尺寸細化同時升高延伸強度（dù）Rp0.2。
在下貝氏體（tǐ）中，為獲得830MPa或更高的抗拉強度，也可通過降低轉（zhuǎn）變溫度提高強（qiáng）度的方法實現。然而，因為上貝氏（shì）體（tǐ）的斷口應力取決於奧氏體晶粒尺寸（cùn），而此時的碳化物（wù）顆粒尺（chǐ）寸已（yǐ）經很大，因此通過（guò）回火提（tí）高抗拉強度的作用很小。
6. 馬氏體（tǐ）鋼斷裂
碳或其它元素加入鋼中可延遲奧氏體轉變成鐵素體和珠光（guāng）體或貝氏體，同時奧氏體化後如果冷（lěng）卻速度足夠快，通過剪切工藝奧（ào）氏體會變成馬氏體而不需進（jìn）行原子擴散。
理想的馬氏體斷裂應具有以下特征（zhēng）：
因為轉變溫度很低（200℃或更低），四麵體鐵素體或針狀（zhuàng）馬氏體非常細。
因（yīn）為（wéi）通過剪切發生轉（zhuǎn）變，奧氏體中的碳原（yuán）子來不及擴散出晶體，使鐵素體中的碳原子飽和從而使馬氏體晶粒拉長導致晶格膨脹。
發生馬氏體轉變要超過一定的溫度範圍，因為初始生成的馬氏體片給以後的奧氏體轉變成馬氏體增加阻力。所（suǒ）以，轉變後的結構是馬氏體和殘餘奧氏體的混（hún）合結構。
為了保證鋼的性能穩定，必須進行回火。高（gāo）碳（0.3%以上）馬氏體，在以（yǐ）下範圍內回火約1h，經曆以下三個階段。
1）溫度達到約100℃時（shí），馬氏體某些過飽和碳沉澱並形成（chéng）非常細小的ε-碳化（huà）物顆粒，分散於馬氏體中而降低碳含量。
2）溫度在100～300℃之間，任何殘餘（yú）奧氏體都可（kě）能轉（zhuǎn）變成貝氏體和ε-碳化物（wù）。
3）在第3階段回火中（zhōng），大約200℃起取決於碳含量和合金成分。當回火溫度升（shēng）至共析溫度，碳化（huà）物沉澱變粗同時Rp0.2降低。
7.中強（qiáng）度鋼（620MPa<Rp0.2<1240MPa）斷裂
除（chú）了消（xiāo）除應力提高衝擊韌性（xìng）之外，回火還有以下（xià）兩種作用：第一，轉變殘餘奧氏體（tǐ）。殘留（liú）奧氏體將在低溫約30℃轉變成韌性針狀下貝氏體。在較高的溫度如600℃，殘餘奧氏體會轉變成脆性的（de）珠光體。因（yīn）此，鋼（gāng）在550～600℃進行第一次回火，在300℃進行第二（èr）次回火，以避免（miǎn）形成脆性珠光體，稱這種回火製度為“二次回火”。
第二，增加彌散性碳化物含量（抗拉強度Rm增加），降低（dī）屈（qū）服強（qiáng）度。如果（guǒ）升高回火溫度，兩者都（dōu）將會引起衝擊，轉（zhuǎn）變回火（huǒ）範圍降低。因為顯微組織變精細，在同樣強度級別（bié），將提高抗拉塑性。
回火脆性是可逆的。如果回火溫度高到超過了（le）臨（lín）界範圍而降低了轉變溫度，可將材料再加熱後在臨界範圍處理，回火（huǒ）溫度才可以再升高。如果出現（xiàn）微量元素（sù），表明脆（cuì）性將得到改（gǎi）善。***重要的微量元素是銻、磷、錫（xī）、砷，加上（shàng）錳和矽都有去脆作用。如果其（qí）它合金元（yuán）素存在，鉬也能降低回火脆性，同時鎳和鉻也有一定的（de）作用。
8. 高強度鋼（Rp0.2>1240MPa）斷裂（liè）
高強鋼可通（tōng）過以下方（fāng）法進行生（shēng）產：淬火和回火；淬火和回（huí）火前奧（ào）氏體（tǐ）變形；退火和時（shí）效生產沉澱硬化鋼（gāng）。此外，還可通過應變和再回火或回火期應變（biàn），都可進一（yī）步提高鋼的強度。
9. 不（bú）鏽（xiù）鋼斷裂
不鏽鋼主要由鐵-鉻、鐵-鉻（gè）-鎳合金和其它改善力學性能與抗蝕能力的元素組成。不鏽鋼防蝕是因為在金屬表麵生成了可防止進一步氧化的鉻氧化物-不可滲（shèn）透層。
因此，不鏽鋼在氧化氣氛中能防止腐蝕並使鉻氧化物層得到強（qiáng）化。但在還原氣氛中，鉻氧化層受到損害。抗蝕性隨著鉻、鎳含量增加而增加。鎳可全麵提升鐵的鈍（dùn）化（huà）性。
增加碳是為（wéi）了改善力學性能（néng）和保證奧氏體不鏽（xiù）鋼性能的穩定。一般說來（lái），不鏽鋼利用顯微組織進行分類（lèi）。
馬氏體不鏽鋼。屬（shǔ）於鐵-鉻合金，可進行奧氏體化和後序熱處理生成（chéng）馬氏體。通常含鉻12%，含碳0.15%。
鐵素（sù）體不鏽鋼。含鉻約14%～18%，碳0.12%。因為鉻是鐵素體（tǐ）的穩定劑，奧（ào）氏體相被超過13%的鉻徹底抑製，因而是完全的鐵素體相。
奧氏體不鏽鋼（gāng）。鎳（niè）是奧氏體的強穩定（dìng）劑，因此，在室（shì）溫、低於室溫（wēn）或高溫狀態下，鎳含量（liàng）為8%，鉻含量為18%（300型）能使奧氏體相非常（cháng）穩定。奧氏體不鏽（xiù）鋼類似於鐵素體型，不能通過馬氏（shì）體轉變而硬（yìng）化。
鐵素體和（hé）馬氏體不鏽鋼特征，如晶粒尺寸（cùn）等與同級（jí）別的其它（tā）鐵素體鋼和馬氏體鋼相（xiàng）似（sì）。
奧氏體不鏽係FCC結構，在冷凍溫度下（xià）都不可能（néng）解理斷裂。大型件冷軋80%後，310型不鏽鋼有極高的屈服（fú）強度和缺口敏感性，甚至在溫度低至-253℃還具有1.0的（de）缺口敏（mǐn）感性比。因此，可用於導.彈係統的液氫貯存箱（xiāng）。相似的301型不鏽鋼可用於溫度低至183℃的（de）液氧貯存箱。但（dàn）在這些溫度以下是不穩定的，如發生任（rèn）何塑性變形，不（bú）穩定的奧（ào）氏體都會變成脆性的非（fēi）回火（huǒ）馬氏體。絕大多數奧氏（shì）體鋼用於防腐環境，被加熱至500～900℃溫度範圍，鉻碳化（huà）物會沉澱在奧氏體晶界（jiè），結果使晶界附近範圍內的（de）鉻層被完全耗盡。該部位非常容易受到腐（fǔ）蝕和局部腐蝕，如果存在應力（lì），還可導致晶脆性斷裂。
為了減輕上（shàng）述危（wēi）害，可加入少量性能強於鉻碳化物的（de）元素，例如鈦或铌，與碳形成合金碳化物，防止鉻被耗盡和隨之而致的應力腐蝕裂紋。常稱這種處理為“穩定化處理”。
奧氏體不鏽鋼也常（cháng）用於高溫，如壓（yā）力容器，防止和滿足抗腐蝕和（hé）抗蠕變（biàn）。某些（xiē）鋼種因為在（zài）焊後熱處理和高溫環境（jìng）下對熱影響區（qū）及其附近（jìn）的（de）裂紋十分敏（mǐn）感。所以，當焊（hàn）接再加熱時，受高溫作用，铌或（huò）鈦碳化物會在晶粒內和晶界沉澱，導致（zhì）裂（liè）紋產生而影響使用壽命，這必（bì）須給予高度重視（shì）。
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