用於各行業的鋼（gāng）材品種有千餘種（zhǒng）之多。每種鋼材都因不同的（de）性能、化學成分或合金（jīn）種類和含量而具有（yǒu）不同（tóng）的商品名稱。雖然斷裂韌性值大大方便了每種鋼的選（xuǎn）擇，然而這些參數很難適用於所有鋼材。
主要（yào）原因（yīn）有：第一，因為在鋼的冶煉（liàn）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（ér）改變了鋼（gāng）的（de）原有性能；第二，因為煉（liàn）鋼和澆注過程中產生的（de）缺陷，特（tè）別是集中缺陷（如氣孔、夾雜等）在軋製（zhì）時極其敏感（gǎn），並且在同一化學成（chéng）分鋼的不同爐次之間，甚（shèn）至在同一（yī）鋼坯的不同部位發生不同的改變，從而影響鋼材的質量（liàng）。
由於鋼材韌性主要取決於（yú）顯微結構和缺陷的分散（嚴防集中缺陷）度（dù），而不（bú）是化（huà）學成分。所以，經熱處理後韌性會發生很大（dà）變化。要（yào）深入探究鋼材性（xìng）能及其（qí）斷裂（liè）原因（yīn），還需掌握物理冶金學和顯微組織與鋼材韌性的關係。
1. 鐵素體-珠光體鋼斷裂
鐵素體-珠光體鋼占鋼總產量的絕大多數。它（tā）們（men）通常是含碳（tàn）量在0.05%～0.20%之間的鐵-碳和為（wéi）提高屈服強度及（jí）韌性而加入的其它少量合金元素的合（hé）金（jīn）。
鐵素體-珠光體的顯微組織由BBC鐵（鐵素體）、0.01%C、可溶合金和Fe3C組成。在碳含（hán）量很低（dī）的（de）碳鋼中，滲碳體顆粒（碳化物）停留在（zài）鐵素體晶粒邊界和晶粒（lì）之中。但當碳（tàn）含量高於（yú）0.02%時，絕大（dà）多數的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀（zhuàng）結構，而稱為珠光（guāng）體，同時趨向於（yú）作為“晶粒”和球結（jié）（晶界析出物）分散（sàn）在鐵素體基體中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳鋼顯微組織中，珠光體含量占10%～25%。
盡管珠光體顆粒很堅硬，但卻能非常廣泛地（dì）分散在（zài）鐵素體（tǐ）基（jī）體上，並且圍繞鐵素體輕（qīng）鬆地變形。通常，鐵素（sù）體的晶粒尺寸（cùn）會隨著珠光體含量的增加而（ér）減小。因為珠光體球結的形（xíng）成和（hé）轉化會妨礙鐵素體晶粒長大（dà）。因此，珠光體（tǐ）會通過升高d-1/2（d為晶粒平均直（zhí）徑）而間接升高拉伸屈服應力δy。
從（cóng）斷裂分析（xī）的觀點看，在低（dī）碳鋼中有兩種含碳量範圍的鋼，其性能（néng）令人關注。一是，含（hán）碳量在0.03%以下，碳以珠光體球結的形式存在（zài），對鋼的韌性影（yǐng）響（xiǎng）較小；二是，含碳量較高時，以球光（guāng）體形式直接影響韌性和夏（xià）比曲線。
2. 處理工藝的影響
實踐（jiàn）得知，水淬火鋼的衝擊性能優於退火或正火鋼的衝擊性能，原（yuán）因在於快冷阻止了滲（shèn）碳（tàn）體在晶界形成，並促使鐵素體晶粒變（biàn）細。
許多鋼材（cái）是在熱（rè）軋狀態下銷售（shòu），軋製條件（jiàn）對衝擊（jī）性能（néng）有很大影響。較低的終軋溫度會降低衝擊轉（zhuǎn）變溫度，增大冷卻速度和促使鐵素體晶粒變細，從而提高（gāo）鋼材韌性。厚板因冷卻速度（dù）比薄板慢，鐵素體晶粒比薄板粗大。所以，在同樣的熱處理條件下厚板比薄板更脆性。因此，熱軋後常用正（zhèng）火處（chù）理以改善鋼板性（xìng）能（néng）。
熱軋也（yě）可生產各向異性鋼和各（gè）種混合組織、珠（zhū）光體帶、夾雜晶界與軋製方向一（yī）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（duì）夏（xià）比轉變溫度範圍低溫處的缺口韌（rèn）性有很大影響（xiǎng）。
3. 鐵素體-可溶合金元素（sù）的影響
絕大多（duō）數合（hé）金元素加入（rù）低碳（tàn）鋼，是為了生產在某些環境（jìng）溫度（dù）下的固溶（róng）體硬化鋼，提（tí）高晶格摩擦應力δi。但目前還不能（néng）僅用公式預測較低屈服應力，除非已知晶粒（lì）尺寸。雖然屈服應力的決定因素是正火溫度和冷卻速度，然（rán）而這種研究方法仍很重要，因為可以通過提高δi預測單個合金元素可（kě）降低韌性的範圍。
鐵素體（tǐ）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，然而這些也（yě）僅限於加入單個合金元素對韌性影響的定（dìng）性討論。以下就（jiù）幾種合金元素對鋼性能的影響（xiǎng）作簡要介紹（shào）。
1）錳。絕（jué）大多數的錳含量約為0.5%。作為脫（tuō）氧劑或固硫劑加入可防止鋼的熱裂。在低碳鋼中還有以下作用。
含碳（tàn）量0.05%鋼，空冷或爐冷後有降低晶粒邊界滲碳體薄膜形成的趨勢（shì）。
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，後兩種作用會引起夏（xià）比曲線峰值更（gèng）尖。
鋼含碳量（liàng）較高時，錳能顯著降低約50%轉變溫度（dù）。其原因可能是因珠光體量（liàng）多，而不是滲碳體在邊界的分布。必須注意的是（shì），如果鋼的（de）含碳量高於0.15%，高錳含量對正火鋼的（de）衝（chōng）擊性能（néng）影響起到了決定性作用。因為鋼的高淬透性引起奧氏體（tǐ）轉變成脆性的上貝氏體，而不是鐵素體或珠光體。
2）鎳。加入（rù）鋼中的作用似錳，可改善鐵-碳合金韌性。其作（zuò）用大小取決於含碳量和（hé）熱處理。在含碳量（約0.02%）很低的鋼中（zhōng），加入量達到2%就能防止熱軋態和正火鋼晶界（jiè）滲碳體的形成（chéng），同時實質降低開始轉變（biàn）溫度TS，升高夏比衝擊（jī）曲線峰值（zhí）。
進一步（bù）增加鎳含量，改善衝擊韌性效果則降低。如果這時含碳量低至（zhì）正火後無碳化物出現時，鎳對轉變溫度的影響將變得很有（yǒu）限。在含（hán）碳約0.10%的正火（huǒ）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（shàng）不清楚。可能是由於鎳作為奧氏體的穩定劑從而降低了奧氏體分解的溫度。
3）磷。在純淨的鐵-磷合金中，由（yóu）於（yú）鐵素體晶界會發生磷偏（piān）析降低（dī）了抗（kàng）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（suǒ）以，加入鋼中將大大增（zēng）加δi值和鐵素體晶粒尺寸。這些作用的綜合將使磷成為（wéi）極其有害的脆化劑，發生（shēng）穿晶（jīng）斷裂。
4）矽。鋼中加矽是為了脫氧，同時有益於提高衝擊（jī）性能。如果鋼中同時存在錳和（hé）鋁，大部分矽在（zài）鐵（tiě）素體中溶解，同時（shí）通過固溶化硬化作用提高δi。這種作用與加入矽（guī）提高衝擊性能綜（zōng）合的結果（guǒ）是，在穩定晶（jīng）粒尺寸的鐵-碳合金中（zhōng）按重量百分比加入矽，使50%轉變溫度升高約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，矽（guī）加入正（zhèng）火鋼中將提高平均能量（liàng）轉換溫度約60℃。
5）鋁。以合金和（hé）脫氧劑的作用加入（rù）鋼中有以下兩方麵的原因：第一，與溶體中的氮生成AlN，去除遊離氮；第二，AlN的形成細（xì）化了鐵素體晶粒。這兩種作用的結果是，每增加0.1%的鋁（lǚ），將使轉變溫度降低約40℃。然而，當鋁的加入量超過了（le）需要，“固（gù）化”遊離氮的作（zuò）用將變弱。
6）氧。鋼中的氧（yǎng）會在晶界產生偏析導致鐵合金晶間（jiān）斷裂。鋼中氧含量高至0.01%，斷裂就會沿著脆化晶粒的晶界（jiè）產生（shēng）的連續通（tōng）道發生。即使鋼中含氧量很低，也會使裂紋在晶界集中成核，然後穿晶擴散。解（jiě）決氧脆化問題的（de）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（cóng）晶界去除。氧化物顆粒也是延遲鐵素體（tǐ）生（shēng）長和提高d-/2的有利（lì）物質。
4. 含碳量在0.3%～0.8%的影響
亞（yà）共析鋼的含碳量在0.3%～0.8%，先共析鐵（tiě）素體是連續相並首（shǒu）先在奧氏體晶界形成。珠（zhū）光體在奧氏體晶（jīng）粒內形（xíng）成，同時占顯微組織的35%～100%。此外，還有多種聚集（jí）組織在每一個奧氏體（tǐ）晶粒內形成，使珠光體（tǐ）成為多晶體。
由於珠（zhū）光體（tǐ）強度（dù）比先共析鐵素體高，所以限製（zhì）了鐵素體的流（liú）動，從而使鋼（gāng）的屈（qū）服強度和應變硬化率隨著珠光體含碳量的增加而（ér）增加。限製作用（yòng）隨硬化塊數量（liàng）增加，珠光體對先共析晶粒尺寸的細（xì）化而增強。
鋼中有大量珠光體（tǐ）時，形變過程中會在低溫和/或高應變率時形（xíng）成微型解理裂紋。雖然也有某些內部聚集組織斷麵，但斷裂通道***初（chū）還是沿著解理（lǐ）麵穿行。所以，在鐵素體片之間、相鄰聚（jù）集（jí）組織中的（de）鐵（tiě）素體晶粒內有某些擇（zé）優取向。
5. 貝氏（shì）體鋼斷裂
在含碳（tàn）量為0.10%的低碳鋼中加入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（hé）675℃時奧（ào）氏體-貝氏體轉變的動力學條件。
在大約525～675℃之間形成的貝氏體，通常稱為（wéi）“上貝氏體”；在450～525℃之間形成的（de）稱（chēng）為（wéi）“下貝氏體”。兩種組織均由針狀鐵素體（tǐ）和分散（sàn）的碳（tàn）化物組成。當轉變溫度從675℃降至450℃時，未回火貝氏體的抗拉強度（dù）會從585MPa升高至1170MPa。
因為轉變溫度由合金元素含量決定，並間接影（yǐng）響屈服和抗拉強度。這些鋼獲得的高強（qiáng）度（dù）是以下兩種作用的結果：
1）當轉變溫度（dù）降低時，貝氏體鐵素體片尺寸不斷細化。
2）在下（xià）貝氏體內精細的碳化物不斷分散。這些鋼的斷口特征在很大程度上取決於（yú）抗拉強度和轉變溫度。
有兩（liǎng）種作用要注意：第一，一定的抗拉強度級別，回火下貝氏體的夏比衝擊性能遠遠優於未回火的上貝氏（shì）體。原因是在上貝（bèi）氏體中，球光（guāng）體內的解理小平麵切割了（le）若幹貝氏體晶粒，決定斷裂的（de）主要尺寸是奧氏體晶粒尺寸。
在下貝氏體中，針狀鐵素體內的解理麵未排成一直線（xiàn），因此決定準解理斷裂麵是否（fǒu）斷裂的主（zhǔ）要特征是針狀（zhuàng）鐵素體晶粒尺寸。因為這裏的針（zhēn）狀鐵素體晶粒尺寸僅為上貝氏體中的奧氏（shì）體晶（jīng）粒尺寸的1/2。所以，在同（tóng）一強度級別，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物分布。在上貝氏體（tǐ）中碳化物位於晶界沿線，並通過降低抗拉（lā）強度Rm增加脆性。在（zài）回火的下貝氏體中，碳化物非常均勻地（dì）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促（cù）進（jìn）球化（huà）珠光體細化。
第（dì）二，要注意（yì）的是未回火合金中轉變溫度與（yǔ）抗拉強度的變（biàn）化（huà）。在（zài）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（shēng）高延伸強度Rp0.2。
在下貝氏體中，為獲得（dé）830MPa或更高的抗拉強度，也可通過降（jiàng）低轉變溫度提高強度的方（fāng）法實現。然而，因為上貝氏體的斷口應力（lì）取決於奧氏（shì）體（tǐ）晶粒尺寸，而此時的碳（tàn）化（huà）物顆粒尺寸已經很大，因此通過回火提高抗拉強度的作用（yòng）很小。
6. 馬氏體鋼斷裂（liè）
碳或其它元素加入鋼中（zhōng）可延遲奧氏體轉變成鐵素體和珠光體或貝氏體，同時奧氏體（tǐ）化後如果冷卻（què）速度足夠快，通過（guò）剪切工藝奧氏體會變成馬氏體而不需進行原子（zǐ）擴散。
理（lǐ）想的馬氏體斷裂應具有以下特（tè）征：
因為轉變溫度很低（200℃或更低），四麵體鐵素體或針狀馬氏（shì）體非常細。
因（yīn）為通過剪切發生轉變，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（zhì）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（mǎ）氏體增加阻力。所以，轉變後的（de）結構是馬氏體（tǐ）和殘餘（yú）奧氏體的混（hún）合結（jié）構。
為了保（bǎo）證鋼的性能（néng）穩定（dìng），必須進行回火。高（gāo）碳（0.3%以上）馬氏體，在以下範圍內回火（huǒ）約1h，經曆以（yǐ）下（xià）三個階段（duàn）。
1）溫度達到約100℃時（shí），馬氏（shì）體（tǐ）某些過飽和碳沉澱並形（xíng）成非常細小的ε-碳化物顆粒，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）奧氏體都可能轉變成貝氏體和ε-碳化（huà）物。
3）在第3階段回火中，大（dà）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，碳化物沉澱變粗同（tóng）時Rp0.2降低。
7.中強度鋼（620MPa<Rp0.2<1240MPa）斷裂
除了消除應（yīng）力（lì）提高衝擊韌性之外，回火還有以（yǐ）下兩種（zhǒng）作用：第一（yī），轉變殘餘奧氏體。殘留奧氏體將在低溫約30℃轉（zhuǎn）變成韌性針狀（zhuàng）下貝氏體。在較高的（de）溫度如600℃，殘餘奧氏體會轉變成脆性的珠光體。因此，鋼在550～600℃進行第一次回火，在300℃進行第二次回火，以避免形成脆性珠光體（tǐ），稱這（zhè）種回火製度為“二次回火”。
第二，增加（jiā）彌散性碳化物含量（liàng）（抗拉強度Rm增加），降（jiàng）低屈服強度。如果升高回火溫度，兩者都（dōu）將會引起衝擊，轉變回火範圍降低。因為顯微組織變精細，在同樣（yàng）強度級（jí）別，將提高抗拉塑性。
回火脆性（xìng）是可逆的。如果回火溫度高到超過了臨界（jiè）範（fàn）圍而降低了轉變溫度，可（kě）將材料再加熱後在臨（lín）界範圍處理，回火溫（wēn）度才可以再升（shēng）高。如果出現微量元素，表明脆性將得到改善。***重要的微量元素是銻、磷、錫、砷，加上錳和矽都有去脆（cuì）作用。如果其它合金元（yuán）素存（cún）在，鉬也能降低回火脆性，同時鎳和鉻也有一定的作用。
8. 高強度鋼（Rp0.2>1240MPa）斷裂
高強鋼（gāng）可通過以下方法進行生產：淬火和回火；淬火（huǒ）和回火前奧氏體變形；退火和時效生產沉（chén）澱（diàn）硬（yìng）化鋼。此外，還可通過應變和再回火或回火期應（yīng）變，都可（kě）進一步提高鋼的強度（dù）。
9. 不鏽（xiù）鋼斷裂
不鏽（xiù）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（sù）組成。不鏽鋼防蝕是因為（wéi）在金屬表麵生成了（le）可防止進一步氧化的鉻氧化物-不可滲透層。
因此，不鏽鋼在氧化氣氛中能（néng）防止腐蝕並使鉻氧化物層得到（dào）強化。但在還原氣氛中（zhōng），鉻氧化層（céng）受到損害。抗（kàng）蝕性隨著鉻、鎳含量增加而增（zēng）加。鎳可全麵提升鐵的鈍化性。
增加碳是為了（le）改善力學性能和保證奧氏體不鏽鋼性能的穩定。一般說來，不鏽鋼利用顯（xiǎn）微組織進行分類。
馬氏（shì）體不鏽鋼。屬（shǔ）於鐵-鉻合金，可進行（háng）奧氏體化和後序熱處理生成馬氏（shì）體。通常含鉻（gè）12%，含碳0.15%。
鐵（tiě）素體不鏽鋼。含鉻約14%～18%，碳（tàn）0.12%。因為鉻是鐵素體的穩定劑，奧氏體相被（bèi）超（chāo）過13%的鉻（gè）徹底抑製，因而（ér）是（shì）完全的鐵素體相。
奧氏體不鏽鋼（gāng）。鎳是（shì）奧氏體的（de）強穩定（dìng）劑，因此（cǐ），在室溫、低於室溫或（huò）高溫狀（zhuàng）態下，鎳含量為8%，鉻含量為（wéi）18%（300型）能使奧氏體相非常穩定。奧氏體不鏽鋼類似（sì）於鐵（tiě）素體（tǐ）型，不能通過馬氏體轉變（biàn）而硬化。
鐵素體和馬氏體不鏽鋼特征，如晶粒尺寸等與（yǔ）同級別的其它鐵素體鋼和馬氏體（tǐ）鋼相似。
奧氏體不鏽係FCC結構，在冷凍溫度下都（dōu）不可能解理斷裂。大型件（jiàn）冷軋80%後（hòu），310型（xíng）不鏽鋼有極高（gāo）的屈服強度（dù）和缺口敏感性，甚至在溫（wēn）度低（dī）至-253℃還具有1.0的缺口敏感性比。因此，可用於導.彈係統的（de）液氫貯存箱。相似的301型不鏽鋼可用於溫（wēn）度低至183℃的液氧貯存（cún）箱。但在這些溫度以下是不穩定的，如發生任何塑性變（biàn）形，不穩定的奧氏體都會變成脆性的非回火馬氏體（tǐ）。絕大多數奧（ào）氏體鋼用於防（fáng）腐環境，被加熱至500～900℃溫度範圍，鉻碳化物會沉澱在奧氏（shì）體晶界，結果使晶界附近範（fàn）圍內的鉻層被完全耗盡。該部位（wèi）非常容易受（shòu）到腐蝕和局部腐（fǔ）蝕，如果存在應力，還可（kě）導致晶脆（cuì）性斷裂。
為（wéi）了減輕上述危害，可加入少量性能強於鉻碳化物的元素，例如鈦或铌，與碳形成合金碳（tàn）化物，防止鉻被耗（hào）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（lǐ）”。
奧氏（shì）體不鏽鋼（gāng）也常用於高溫，如壓力容器，防止和滿足抗腐蝕和抗蠕變。某些鋼種因為（wéi）在（zài）焊後（hòu）熱處理和高溫環境下對熱影響區及其附近的裂紋十分敏（mǐn）感。所以，當焊接再加熱時（shí），受高溫作用，铌或鈦碳化物會（huì）在晶粒內和晶界沉澱，導致裂紋產生而影響使用（yòng）壽命，這必須給（gěi）予高度重視。
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