用於各行業的鋼材品（pǐn）種有千餘種之多。每種鋼材都因不同（tóng）的性（xìng）能、化學成分或合金種類（lèi）和含量而具（jù）有不同的商品名稱。雖然斷裂韌（rèn）性值大大方（fāng）便了每種鋼的（de）選擇，然而這些參數很難適（shì）用於所有（yǒu）鋼材（cái）。
主要原因有：第一，因為在鋼的冶煉時需加入一定數量的某種或多種（zhǒng）合（hé）金元素（sù），成材後再經（jīng）簡單熱處理便可獲得（dé）不同的顯微組織，從而改變了鋼（gāng）的原有性能；第二，因為煉鋼和澆注過程中產生（shēng）的缺陷，特別是集中缺（quē）陷（如氣孔、夾雜等（děng））在軋製時極其敏感，並且在同一（yī）化學成分鋼的不同爐次之（zhī）間，甚至在同一鋼坯的不同部位發生不同的改變，從而影響鋼材的質量。
由於鋼材韌性主要取（qǔ）決於（yú）顯（xiǎn）微（wēi）結構和缺陷的分散（嚴防集中缺陷）度，而不是化學成分（fèn）。所以，經熱處理（lǐ）後韌性會發生很大變化。要深入探究鋼材性能及其斷裂原因，還需掌握物理冶金學（xué）和顯微組織與鋼材韌性的關係。
1. 鐵素體-珠（zhū）光體鋼斷裂
鐵（tiě）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0.05%～0.20%之（zhī）間的鐵（tiě）-碳和為提高屈服強度及韌性而加入的其它少量（liàng）合金元素的合金。
鐵素體-珠光體的顯微組織由（yóu）BBC鐵（鐵素體（tǐ））、0.01%C、可溶合金（jīn）和Fe3C組成。在碳含（hán）量很（hěn）低的（de）碳鋼（gāng）中，滲碳體顆（kē）粒（碳化物）停留在鐵素體晶粒邊界和晶粒之中。但當碳含量高於0.02%時，絕大（dà）多數的Fe3C形成（chéng）具（jù）有某些鐵素體的片狀結構（gòu），而稱為珠光體，同時趨向於作為“晶（jīng）粒（lì）”和（hé）球結（晶界析出（chū）物）分散在鐵素體基體中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳鋼顯微組織中（zhōng），珠光體含量占10%～25%。
盡（jìn）管珠光體顆粒很堅硬，但卻能（néng）非常（cháng）廣泛地分（fèn）散在鐵素體基體上，並且圍繞鐵素體輕鬆地變形（xíng）。通常，鐵素體（tǐ）的晶粒尺寸會隨著珠光體含（hán）量的增加而減小。因為珠光體球結的形成和轉化會妨（fáng）礙鐵素體（tǐ）晶粒長大。因此，珠光體會通過升高d-1/2（d為晶粒平均直徑）而間接升高拉伸屈服（fú）應力δy。
從斷裂分析的觀點看（kàn），在低碳鋼中有兩種含碳（tàn）量範圍的鋼，其性能令人關注。一是，含（hán）碳量在0.03%以（yǐ）下，碳以（yǐ）珠光體球結的形式存在，對鋼的韌性影響較小；二是，含碳量較高時，以球光體形式直接影響韌性和夏比（bǐ）曲線。
2. 處理工藝的影響
實踐得知，水淬火鋼的（de）衝擊性能優（yōu）於退火或（huò）正火（huǒ）鋼（gāng）的衝擊性能，原因在於快冷阻止了滲碳體在晶界（jiè）形成（chéng），並促使鐵素（sù）體（tǐ）晶粒變細。
許多鋼（gāng）材（cái）是在熱軋狀態下銷（xiāo）售，軋製條件對（duì）衝擊性能有很大影（yǐng）響（xiǎng）。較低的（de）終軋溫度會降低衝擊轉變溫度，增大冷卻速（sù）度和促（cù）使鐵素體晶粒變細，從而（ér）提高鋼材韌性。厚板因冷卻速度比薄板慢，鐵素體晶粒比薄板粗大。所以，在同（tóng）樣的熱處理條件下厚板（bǎn）比薄板更脆性。因此，熱軋後（hòu）常用（yòng）正火處理以改善鋼（gāng）板性能。
熱軋也可生產各（gè）向異性鋼和各種混合組織、珠（zhū）光體帶（dài）、夾雜晶界與軋（zhá）製方向一致的定向韌性鋼。珠光體帶和拉長後的夾雜粗大分散成鱗片狀，對夏比轉變溫度範圍低溫處的缺口韌性有（yǒu）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，是為了生產（chǎn）在（zài）某些環境溫度下的固（gù）溶體硬化鋼，提高晶格摩擦應力δi。但目前（qián）還不能僅用公式（shì）預測較低屈服應（yīng）力，除非已知晶粒（lì）尺寸（cùn）。雖然屈服應力的決定因素是正火溫度和（hé）冷卻（què）速度，然（rán）而這（zhè）種研（yán）究方法仍很重要，因為可以通（tōng）過提高δi預測單個合金元素可（kě）降低韌性的範圍。
鐵素體鋼的無（wú）塑性轉變（NDT）溫度和夏比轉變溫（wēn）度的回歸分析至今尚無報導，然而這些也僅限於加入單個合金元素對韌性影（yǐng）響的定性討論。以下就幾種（zhǒng）合金元素對（duì）鋼性能的影響作（zuò）簡（jiǎn）要介紹。
1）錳（měng）。絕大多（duō）數的錳含量約為0.5%。作為脫氧劑或固硫劑加入可防止鋼的（de）熱裂。在低碳（tàn）鋼中還有以下作用。
含碳量0.05%鋼，空冷（lěng）或爐冷後有降低晶（jīng）粒邊界滲碳體薄（báo）膜形成的趨勢。
可（kě）稍減小鐵素體晶粒尺寸。
可（kě）產生大量而細小的珠光體顆（kē）粒。
前兩種作用（yòng）說明NDT溫度隨著錳量的增加而（ér）降低，後兩種作用會（huì）引起夏比曲線峰（fēng）值（zhí）更尖。
鋼含碳量較高時（shí），錳能顯著降低約50%轉變溫度。其（qí）原因可能是因（yīn）珠光體量多（duō），而不是滲碳體在（zài）邊界的分布。必須注意的是，如果鋼的含（hán）碳量高於（yú）0.15%，高錳含量對正（zhèng）火鋼的衝擊性能影響起到（dào）了（le）決定（dìng）性（xìng）作用。因為鋼的高（gāo）淬透性引（yǐn）起奧氏體轉變成脆性的上貝氏體，而不是鐵素體或（huò）珠光（guāng）體。
2）鎳。加入（rù）鋼中的作用似錳，可改善鐵-碳合金（jīn）韌性。其作用大小取決（jué）於含碳量和熱處理（lǐ）。在含碳量（約0.02%）很低的鋼中，加入量達到（dào）2%就能防止熱軋態和正火鋼（gāng）晶界滲碳體的形（xíng）成，同時實質降低開始轉變溫度TS，升高夏比衝擊曲線峰值。
進一步增加鎳含量，改善衝擊韌性效果則降低。如果（guǒ）這時含碳量低至正火後無碳化（huà）物出現時，鎳對轉變溫度（dù）的影響將變（biàn）得很有限。在含碳（tàn）約0.10%的正火鋼中加入（rù）鎳，***大（dà）的好處（chù）是細化晶粒和降低遊離氮含量，但（dàn）其機理目前尚不（bú）清楚。可（kě）能是由於鎳作為奧氏體的穩定（dìng）劑從而降（jiàng）低了奧氏體分解的（de）溫度。
3）磷（lín）。在純（chún）淨（jìng）的鐵-磷（lín）合金中，由於鐵素體（tǐ）晶界會發生磷偏析降低了抗拉強（qiáng）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，加入（rù）鋼中將大大增加δi值和鐵素體晶粒尺寸。這些作（zuò）用（yòng）的綜合將使磷（lín）成為（wéi）極其有害（hài）的脆化劑（jì），發生穿晶斷裂。
4）矽。鋼中加矽是為了脫氧（yǎng），同時（shí）有益於提高衝擊性能。如果鋼中同時存在錳和鋁，大部分矽在（zài）鐵素（sù）體中溶解，同時通過固溶化硬化作用提（tí）高δi。這種作用與加入矽提高衝擊性能綜合的結果是，在穩定晶（jīng）粒尺寸的鐵-碳合金中按重量百分比加入矽（guī），使50%轉變溫度升高約44℃。此外（wài），矽與磷相似，是鐵素鐵的穩定劑，能促（cù）進鐵素體晶粒長大。按重量百分數計，矽（guī）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（tuō）氧劑的作用加入鋼中（zhōng）有以下兩方麵的（de）原因：第一，與溶體中的氮生成AlN，去除遊離氮；第二，AlN的形成（chéng）細化（huà）了鐵素（sù）體晶粒。這兩種作用的結果是，每增加0.1%的鋁，將使轉變溫度降低（dī）約40℃。然而，當鋁的加入量超過（guò）了需要（yào），“固（gù）化”遊離氮的作用將變弱。
6）氧。鋼中的氧（yǎng）會在晶界產生偏析導（dǎo）致鐵合金晶間斷裂。鋼（gāng）中（zhōng）氧含量（liàng）高至0.01%，斷裂就會沿著脆（cuì）化（huà）晶粒的晶界產生（shēng）的連續（xù）通道發生（shēng）。即使鋼中含氧量很低，也會使裂紋在晶界集（jí）中成核，然（rán）後穿晶擴散。解決氧脆化問題的方法是，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，而將氧從晶界去除。氧化物顆（kē）粒也是延遲鐵（tiě）素體生長和提高d-/2的有利物質。
4. 含碳量在0.3%～0.8%的影響
亞共析鋼的含碳量在0.3%～0.8%，先共析鐵素體是連續相並（bìng）首先在奧氏（shì）體晶界形成。珠光體在奧（ào）氏體晶粒內形成，同時占顯微組織的35%～100%。此外，還有（yǒu）多種（zhǒng）聚集（jí）組織在每（měi）一個奧氏體晶粒內形成，使珠光體成為多晶體（tǐ）。
由於（yú）珠（zhū）光體強度比先共析鐵素體高，所以限製了鐵素體的流動（dòng），從而使鋼的屈服強度和應變硬化率（lǜ）隨著珠光（guāng）體含（hán）碳（tàn）量的增加而增加。限製作用隨硬化塊數量增加，珠光體對先共析晶粒尺寸的細化而（ér）增強。
鋼中有大量珠光體時（shí），形變過程中（zhōng）會（huì）在（zài）低溫和/或高應變率時形成（chéng）微型解（jiě）理裂紋（wén）。雖然也有某些內部聚集組織斷麵，但斷裂通道***初還是沿著解理麵穿行。所以，在鐵素體片之間、相鄰聚集組織中的鐵（tiě）素體（tǐ）晶粒內有某些（xiē）擇優取向。
5. 貝氏體鋼斷裂
在含（hán）碳量為（wéi）0.10%的低碳鋼中加入0.05%鉬和（hé）硼（péng）可優化通常發生在700～850℃奧氏體-鐵素（sù）體轉變，且不影響其（qí）後在450℃和675℃時奧（ào）氏體-貝氏體（tǐ）轉變的動力學條件。
在大約（yuē）525～675℃之間形成的貝氏體，通常稱為“上貝氏體”；在450～525℃之間形成的稱為“下貝氏體”。兩種組織均由針狀鐵素體和分散的碳（tàn）化物組成。當轉變溫度從675℃降至（zhì）450℃時，未回火貝氏體的抗拉強度會（huì）從（cóng）585MPa升高至1170MPa。
因為轉變溫度由合金元素含量（liàng）決定，並間接影響屈服和（hé）抗拉強度。這些鋼獲得的高強度是以下兩種作用的結果：
1）當轉變溫度降低時，貝氏體鐵素體（tǐ）片尺（chǐ）寸不斷細化。
2）在下貝氏體內精細的碳化物不斷分散。這些鋼的斷（duàn）口特征在很大程度上取決（jué）於抗拉強度和轉（zhuǎn）變溫度。
有兩種作用（yòng）要注意：第一，一定的抗拉強度級別，回火（huǒ）下貝氏體的夏比衝擊性能遠遠優於未回火的上貝氏體。原因是在上貝氏體中，球光體（tǐ）內的解理小平（píng）麵切（qiē）割了若幹貝氏體（tǐ）晶粒，決定斷裂（liè）的（de）主要尺寸是奧氏體晶粒尺（chǐ）寸。
在下貝氏體中，針狀鐵素體內的解理麵未排成一直線，因此決定準解理斷裂麵是否斷裂的主要特征是針（zhēn）狀鐵素體晶粒尺寸。因為這裏的針狀鐵素體晶粒尺寸僅（jǐn）為（wéi）上貝氏體中的奧氏體晶粒尺寸的1/2。所以，在同一強度（dù）級別（bié），下貝氏體轉變溫度（dù）比上貝氏（shì）體低許多。
除了上麵的原因之外（wài）是碳（tàn）化（huà）物分布。在上貝氏體中碳化物位於晶界沿線（xiàn），並通過降低抗拉強度Rm增加脆性。在回（huí）火的（de）下貝氏體中，碳化物非常均勻地分布的鐵素體中，同時通過限製解理裂紋以提高抗拉強度並（bìng）促進（jìn）球化珠光體細化。
第二，要注意的是未回火合金中轉變溫度與抗拉強度的變化。在上貝氏體中（zhōng），轉變溫度的降低會使針狀鐵素體尺寸細化同時（shí）升高延伸強度Rp0.2。
在下貝氏體中，為獲得830MPa或更高的抗拉強度，也可（kě）通過降低轉變溫度提高強（qiáng）度的方法實現。然而，因為上貝氏體的斷口應力取決（jué）於奧氏體晶粒尺寸，而（ér）此時（shí）的碳化物顆粒尺寸已（yǐ）經很大，因此通過回火（huǒ）提高抗拉強度的作用很小（xiǎo）。
6. 馬氏體鋼斷（duàn）裂
碳或其它元素加入鋼（gāng）中可延（yán）遲奧氏體轉變成鐵素體（tǐ）和珠光體或貝氏體，同時（shí）奧氏體化後如果冷卻速（sù）度足夠（gòu）快，通過剪切工藝奧氏體（tǐ）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：
因為轉變溫度很低（200℃或（huò）更（gèng）低），四麵體鐵素（sù）體或針狀馬（mǎ）氏體非常細（xì）。
因為通過剪切發生轉變，奧氏體（tǐ）中的碳原子來不及擴散出晶體，使鐵素體中（zhōng）的碳原子（zǐ）飽和從而使馬氏體晶（jīng）粒拉長導致晶格膨脹。
發生馬氏體轉（zhuǎn）變要超過一定的溫度（dù）範圍，因為初始生成的馬氏（shì）體片給（gěi）以後的奧氏體轉變成馬氏體增加阻力（lì）。所（suǒ）以，轉（zhuǎn）變後的結構是馬氏體（tǐ）和殘餘奧氏體的混合結（jié）構。
為了保證鋼的性能穩定，必須進行回火。高碳（0.3%以上）馬氏體，在（zài）以下範圍內回火約1h，經曆以下三個階段。
1）溫度達到約（yuē）100℃時，馬氏體（tǐ）某些過飽和碳沉澱並形成非常細小的ε-碳化物顆粒，分（fèn）散於馬氏體中而降低碳含量。
2）溫度在100～300℃之（zhī）間，任何殘餘（yú）奧氏體都可能（néng）轉（zhuǎn）變成貝氏體和ε-碳化（huà）物。
3）在第3階段回火中（zhōng），大約200℃起取決於（yú）碳含（hán）量和合金成分。當回火溫度升至共（gòng）析溫度，碳化（huà）物沉澱變粗同時Rp0.2降低。
7.中強度鋼（620MPa<Rp0.2<1240MPa）斷裂
除了消除（chú）應力提高衝擊韌性（xìng）之外，回火還有以下兩種作用：第一，轉變殘餘奧氏體。殘留奧氏體將在（zài）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（shì）體會轉變成脆性的珠光體。因此，鋼在550～600℃進（jìn）行第一次回火，在300℃進（jìn）行（háng）第二次回火，以避免（miǎn）形成脆性珠光體，稱這種（zhǒng）回火製度為“二次回火”。
第二，增加彌散性碳化物含量（liàng）（抗拉強（qiáng）度Rm增加），降低屈服（fú）強度。如果升高回火溫度，兩者都將會引（yǐn）起（qǐ）衝擊，轉（zhuǎn）變回火範圍降低。因為顯微組織變精細，在同樣（yàng）強度級別，將提高抗拉塑性。
回火（huǒ）脆性（xìng）是可逆的。如果回（huí）火溫度高到超過了臨界範圍而降低（dī）了轉變溫度，可將材料再加（jiā）熱後在臨界範圍處理，回火溫度才可（kě）以再升高。如果出現微量元素，表明脆性將（jiāng）得到改善。***重要的微量元素是銻、磷、錫、砷，加上錳和矽都有去脆作用。如果其它合金元素存在，鉬也（yě）能降（jiàng）低回火脆性，同時鎳（niè）和鉻也有一定的作用。
8. 高強度鋼（Rp0.2>1240MPa）斷裂
高強鋼可通過以（yǐ）下方法進行生產：淬（cuì）火和回火；淬火和回火前奧氏體變形；退火和時效生產沉澱（diàn）硬化鋼。此外（wài），還可通過應變和再回火（huǒ）或回火期應（yīng）變，都可進一步提高鋼的強度。
9. 不鏽鋼斷裂
不鏽鋼主（zhǔ）要由鐵-鉻、鐵-鉻-鎳合金和（hé）其它改善（shàn）力學性能與（yǔ）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（kě）防（fáng）止進一步氧化的鉻氧（yǎng）化物（wù）-不可（kě）滲透層。
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化。但在還原氣（qì）氛中，鉻氧化層（céng）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化性。
增加碳是為了改善力學性（xìng）能和保（bǎo）證奧氏（shì）體不鏽鋼性能的（de）穩定。一（yī）般說來，不鏽鋼利用顯（xiǎn）微組織進（jìn）行分類。
馬（mǎ）氏體（tǐ）不鏽鋼。屬於鐵-鉻合（hé）金，可進行奧氏體化和後序熱處理生成馬氏體。通常含鉻12%，含碳（tàn）0.15%。
鐵素體（tǐ）不鏽鋼。含鉻（gè）約14%～18%，碳0.12%。因為鉻是鐵素體的穩定劑，奧氏（shì）體相被（bèi）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。鎳是奧氏體的強穩定劑，因此，在室溫、低於室溫或高溫狀態下，鎳（niè）含量為8%，鉻含量（liàng）為18%（300型）能使奧氏體（tǐ）相（xiàng）非常穩定。奧氏體不鏽鋼類似於鐵素體型，不能通過馬氏體轉變而硬化（huà）。
鐵素體和馬氏（shì）體不鏽鋼特征，如晶粒尺寸等與同級別的其它鐵（tiě）素體鋼和馬氏體鋼相似。
奧氏體不鏽係FCC結構，在冷凍溫度下都不可能解理斷裂。大型件冷軋80%後，310型不鏽鋼有極高的屈服強（qiáng）度和缺口敏感性，甚至在溫度低至-253℃還具有1.0的缺口敏（mǐn）感性比。因此，可用於導.彈係統的液（yè）氫貯存箱。相似的301型不鏽鋼可用於溫度低（dī）至183℃的液氧貯存（cún）箱。但在這些溫度以下是不穩定的，如發生任何（hé）塑性變形，不穩（wěn）定的奧氏體（tǐ）都會變成脆性的非（fēi）回（huí）火馬氏體。絕大多數奧（ào）氏體鋼用於（yú）防腐環境，被加熱至500～900℃溫度範圍，鉻碳化物會沉澱在奧氏體晶界，結果使晶界附近範圍內的鉻層被完（wán）全耗盡。該（gāi）部位非常（cháng）容易受到腐蝕和局部腐蝕（shí），如果存在應力（lì），還可導致晶脆性斷裂。
為了減輕上述危害，可（kě）加入少（shǎo）量性（xìng）能強於鉻碳化物的元素，例如鈦或铌（ní），與碳形成合金碳化物，防止鉻（gè）被耗盡和隨之而致的應力腐蝕裂紋。常稱這（zhè）種處理為“穩定化處理”。
奧氏體（tǐ）不鏽鋼也常用於高（gāo）溫，如壓力容器，防止和滿（mǎn）足抗腐蝕和（hé）抗蠕變。某些鋼（gāng）種因為在焊後熱處理和高溫環境下對熱影響區及其附近的（de）裂紋十分敏（mǐn）感。所以，當焊接再（zài）加熱時，受高溫作（zuò）用，铌或鈦（tài）碳化物會在晶粒內和晶（jīng）界沉澱，導致裂紋產生而影響使用壽命，這必須給予高度重視。
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