脆性损伤

脆性断裂，简称脆断，是指：构件未经明显的变形而发生的断裂，断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。如杆件脆断时没有明显的伸长或弯曲，更无缩颈，容器破裂时没有直径的增大及壁厚的减薄。脆断的构件常形成碎片。材料的脆性是引起构件脆断的重要原因。

依据延性破坏过程中损伤内变量积累所建立的损伤断裂准则已有 10 多种表达形式 ,均表现为如下积分

形式：

式中 ，

在外载或环境作用下，由细观结构缺陷（如微裂纹、微孔隙等） 萌生、扩展等不可逆变化引起的材料或结构宏观力学性能的劣化称为损伤。损伤理论将材料断裂的过程描述为微孔洞的形核、长大、聚合直至产生宏观裂纹的过程。

脆性是指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质，与塑性相反，直到断裂前只出现很小的弹性变形而不出现塑性变形。脆性材料抗动荷载或冲击能力很差。金属材料的脆性主要取决于其成分和组织结构 。

材料或结构在损伤过程中，其内部微裂纹或空隙是相互作用、相互影响的，并不存在某一孤立的控制损伤发展状态的裂纹，而且人们也不可能对所有裂纹一一做出几何学的描述，更无法确定各裂纹尖端附近的应力场。因此，力学工作者把含有众多分散的微裂纹区域看成是局部均匀场，在场内考虑裂纹的整体效应，试图通过定义一个与不可逆相关的场变量来描述均匀场的损伤状态，这个场变量就是损伤变量 。

损伤变量是表征材料或结构劣化程度的量度，直观上可理解为微裂纹或空洞在整个材料中所占体积的百分比。在损伤力学中，损伤变量实际上起着“劣化算子”的作用，材料或结构的损伤状态即是通过这些具有客观统计特征的损伤变量来描述的。从热力学的观点来看，损伤变量是一种内部状态变量，它能反映物质结构的不可逆变化过程 。2100433B

材料的冲击吸收功能随温度的降低而降低，当试验温度低于TK时，冲击吸收功明显下降，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。 2100433B

某些钢材长时间停留在400~550℃区间，在冷却到室温后其冲击值会出现显著下降，这种现象称为钢的热脆性。几乎所有钢材都有产生热脆性的倾向。需要注意的是，具有热脆性的钢材在高温下并不呈现脆化，仍具有较高的冲击韧度，只有当冷却到室温时，才显示出脆化现象。钢材的热脆性只有通过冲击试验才会明显地显示出来，一般比正常冲击韧度下降50%~60%，甚至下降80%~90%。具有热脆性的钢材，金相组织没有明显的变化。影响钢材热脆性的因素主要有：

1、化学成分

纯铁本身不呈现热脆性，加入元素C后，若在高温时承受塑性变形，钢材将具有热脆性；若在高温时不承受塑性变形，钢材热脆性不明显。元素Cr及Mn最易促使热脆性的形成，如低合金铬镍钢（Cr质量含量为0.5%~1.0%及镍质量含量为1.0%~4.0%）、锰钢（Mn质量含量为1.0%~2。0%）的热脆性很明显；少量Cu元素的热脆性不明显，但当Cu质量含量超过0.4%时具有明显的热脆性；P使热脆性倾向增大；W及V元素可减弱热脆性。

2、保温时间

保温时间是构成热脆性的一个重要因素。不同钢材产生热脆性的保温时间不同。低合金铬镍钢、锰钢及铬锰钢等钢材在保温100~200h后，常温冲击韧度明显地下降。若在这些钢材中加入Mo元素，出现明显热脆性所需的保温时间可推迟至800~1000h。 2100433B

钢铁材料在低温冲击韧性显著降低。从大量的冲击试验表明，温度低时钢时缺口的敏感性增大，这种现象称为钢的冷脆性。钢的冷脆性表明在温度变低时钢会由韧性状态转变成脆性状态。因此要防止钢的脆性破坏首先要掌握所使用的钢是在什么温度下钢韧性状态变为脆性状态的，这个温度叫做冷脆转变温度。冷脆转变温度可以通过试样的冲击试验来评定，但是因为评价的方法、标准不同而结论各异，往往仅能定出一个温度转变区间。

除低温冷脆转变引起的脆性破坏外，还有因焊接导致焊缝及热影响区材料脆化而引起的脆性断裂缝如焊条或焊丝的含碳量偏高或其他合金元素的碳当量偏高，便会引起焊接过程的淬硬倾向，使焊接接头区域材料硬化。如果含硫、磷量偏高时，也会导致焊缝的脆化，焊接过程本身相当于一个冶金过程，其热影响区相当于经受不同加热与冷却条件的热处理区。