用於各行業的鋼材（cái）品種有千餘種之多。每種鋼材都因不同的性能、化學成分或合金種類和含量而具有（yǒu）不同（tóng）的商品名稱。雖然斷裂（liè）韌性值大（dà）大方便了每種鋼的選（xuǎn）擇（zé），然（rán）而這些參數很難適（shì）用於所有（yǒu）鋼（gāng）材。
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合金元素，成材後再經簡單熱（rè）處理便可獲得不同的顯微組織，從而改變了鋼的原有（yǒu）性能；第二，因為煉鋼和（hé）澆注過程中產生的缺陷，特（tè）別是集中缺陷（如氣孔、夾雜等）在軋製時極其敏感，並且在同一化（huà）學成分（fèn）鋼的不同爐次之間，甚至在同一鋼（gāng）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）決於顯微結構和缺陷的分散（嚴防（fáng）集中缺陷）度，而（ér）不（bú）是化學成分。所以，經（jīng）熱處理後韌（rèn）性會發生很大變化（huà）。要深（shēn）入探究鋼材性能及其斷裂原因（yīn），還需掌握物理冶金學和顯微組織與鋼材（cái）韌性的關（guān）係。
1. 鐵素體-珠光體鋼斷（duàn）裂
鐵素體-珠光體鋼占鋼總產量的（de）絕大多數。它們通常是含碳量在0.05%～0.20%之間的鐵-碳和為提高屈服強度（dù）及韌性（xìng）而加入的其它少量合金元素的合金。
鐵素體-珠光體的顯微組織由BBC鐵（鐵素體）、0.01%C、可溶合金和Fe3C組成。在碳含（hán）量很低的碳鋼中，滲碳體顆（kē）粒（碳化物）停留在（zài）鐵素體晶粒邊界（jiè）和晶粒之中。但當碳含量高於0.02%時，絕大（dà）多（duō）數的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（xiàng）於作為“晶（jīng）粒”和球結（晶界析出物）分散在鐵素體（tǐ）基體（tǐ）中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳鋼顯微組織中，珠光（guāng）體含（hán）量占10%～25%。
盡（jìn）管珠光體顆粒很堅硬，但卻能非常廣泛地分散在鐵素（sù）體基體上，並且（qiě）圍繞鐵素體輕鬆地變形。通常（cháng），鐵素體的晶粒尺寸（cùn）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礙鐵素體晶粒長大。因此，珠（zhū）光體會通過（guò）升高d-1/2（d為晶粒平均直（zhí）徑）而間接（jiē）升高拉伸屈服應力δy。
從斷裂分析的觀（guān）點看，在低碳鋼中有兩種含碳量範圍的鋼，其性能令人關注。一是，含碳量在0.03%以下，碳以珠光體球結的形式存在，對鋼（gāng）的韌性影響較小（xiǎo）；二是，含碳（tàn）量較高時，以（yǐ）球光體形式直接影響韌性和夏比曲線。
2. 處理工藝的影響
實踐（jiàn）得知，水淬火鋼的（de）衝擊（jī）性能優於退火（huǒ）或正火鋼（gāng）的衝擊性能，原因在於快冷阻（zǔ）止了滲碳體在晶界（jiè）形成，並促使鐵素體晶粒（lì）變細（xì）。
許多鋼材是在熱軋狀態（tài）下銷（xiāo）售，軋製條件對衝（chōng）擊性能有很大影響。較（jiào）低的終軋溫度（dù）會降低衝擊轉變溫度，增大冷卻速度和促使鐵素體（tǐ）晶粒變細，從而提高鋼材韌性。厚板因冷卻速度比薄板慢，鐵素體晶粒比薄板粗（cū）大。所以，在同樣的熱處理條件下厚板（bǎn）比薄板更脆（cuì）性。因此，熱軋後常（cháng）用正火處理以改善鋼板性能。
熱軋也可生產各（gè）向異性鋼和各種（zhǒng）混合組織、珠（zhū）光體帶、夾雜晶界（jiè）與（yǔ）軋製方向一致的定向韌性鋼。珠光體帶和拉長後的夾雜（zá）粗大（dà）分散成鱗片狀，對夏比轉變溫度範圍低溫處的缺口韌性（xìng）有很大影響。
3. 鐵素體-可溶（róng）合金元素的影響
絕大多數合金元素（sù）加入（rù）低碳鋼，是為了（le）生產在某些環境（jìng）溫度下的固溶（róng）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（fú）應力，除非已知晶粒尺寸。雖然屈服應力的決定因素是正（zhèng）火溫度和冷卻速度，然而這種研究方法仍很重（chóng）要，因為可以通過提高δi預測單個合金元素可降低韌性的（de）範（fàn）圍。
鐵素體鋼的無（wú）塑性轉變（NDT）溫度和夏比轉變溫度的回歸分析至今尚無（wú）報導，然而這些也僅（jǐn）限於加入單個合金元素對韌性影響的定性討論（lùn）。以下就幾種合（hé）金元素對鋼性能的影響作簡要介紹。
1）錳（měng）。絕大多數的錳含量約為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（dī）晶粒邊界滲碳體薄膜形成的趨勢。
可稍減（jiǎn）小鐵素體晶粒尺寸（cùn）。
可產生大量而細小的（de）珠光（guāng）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比曲線峰值更尖。
鋼（gāng）含碳量較高時，錳能顯著降低（dī）約50%轉變溫度。其原因可能是因珠（zhū）光體量多，而不是滲碳體在（zài）邊界的分布。必須注意的是，如果鋼的含碳量高於0.15%，高（gāo）錳含（hán）量對正火鋼的衝擊性（xìng）能影響起到了決定性作用。因為（wéi）鋼的高淬透性引起奧氏體轉變成脆性的上貝氏體，而不是鐵素（sù）體或珠光體。
2）鎳。加入鋼中的作用似錳，可改善鐵-碳合（hé）金（jīn）韌性。其（qí）作用（yòng）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%就能防止熱軋態和正（zhèng）火鋼晶界滲（shèn）碳體的形成，同時實質降低開（kāi）始轉（zhuǎn）變溫度TS，升（shēng）高夏比衝擊曲（qǔ）線峰值。
進一步增（zēng）加鎳含量，改善衝擊韌性（xìng）效果則降低。如（rú）果這時含碳量低至正火後無（wú）碳化物出現時，鎳對（duì）轉變溫度的影響將變得很有限。在含碳約0.10%的正火鋼中加入鎳（niè），***大的好處是（shì）細化晶粒和降（jiàng）低遊（yóu）離氮含量，但（dàn）其機理（lǐ）目前尚不清楚（chǔ）。可能是（shì）由於鎳（niè）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，由於鐵素體晶界會發（fā）生磷偏（piān）析降低（dī）了抗（kàng）拉強度Rm而使晶粒之間脆（cuì）化。此外，由於磷還是鐵（tiě）素體的穩定劑。所（suǒ）以，加（jiā）入鋼中將大大增加δi值和鐵（tiě）素體（tǐ）晶粒尺寸。這些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。鋼中加矽是為了脫氧，同（tóng）時有益（yì）於提高衝擊性能。如果鋼中（zhōng）同時存（cún）在錳和鋁，大部分矽在鐵素體（tǐ）中溶解，同時通過固溶（róng）化硬化作（zuò）用提高δi。這種作（zuò）用（yòng）與加入矽提高衝擊（jī）性能綜合的結果是，在穩定晶粒尺寸的鐵（tiě）-碳合金中按重量百分（fèn）比（bǐ）加入矽，使50%轉變（biàn）溫度升高約44℃。此（cǐ）外，矽與磷（lín）相似，是鐵素鐵的穩定劑，能促進鐵素體晶粒長大。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。以合金和脫氧劑的（de）作用加入鋼中有以（yǐ）下兩方麵的原因：第一，與溶體中（zhōng）的氮生成AlN，去除遊離（lí）氮；第二，AlN的形成細（xì）化（huà）了鐵素體晶粒。這（zhè）兩種作用的（de）結果（guǒ）是，每增加0.1%的鋁，將使轉變溫（wēn）度降低約40℃。然而，當鋁的加入量超（chāo）過了需要，“固化”遊離氮的作用將（jiāng）變弱。
6）氧。鋼中的氧會在晶界產生偏析導（dǎo）致鐵合金晶間斷裂。鋼中氧（yǎng）含量高至0.01%，斷裂（liè）就會沿著脆化晶粒的晶界（jiè）產生的連續（xù）通道發（fā）生。即使鋼（gāng）中含氧量很低，也會使裂紋在晶界集中成核，然後穿晶擴散。解決氧脆化問題的方法是，可加入脫氧劑碳、錳、矽（guī）、鋁和鋯，使其和氧結合生成氧化物顆粒，而將氧從晶界去除。氧化物顆粒也是延遲鐵素體生長和提高d-/2的有（yǒu）利物質。
4. 含碳量在0.3%～0.8%的影響
亞（yà）共析鋼（gāng）的含碳量在0.3%～0.8%，先共析鐵素體是連續相並首先在奧氏體晶界形成。珠光體在奧氏體晶粒內形成，同時占顯微組織的35%～100%。此外，還有多種聚集組織在每一個（gè）奧氏體晶粒內形成，使珠光體成為多晶（jīng）體。
由於珠光體強度（dù）比先共析鐵素體高，所以限製了鐵素體的流動，從而使鋼的屈服強度和應變硬化率隨著珠光體含碳量（liàng）的增加而增加。限製作用隨（suí）硬化塊數量增加，珠光體對先共析晶（jīng）粒尺寸的細化而增強。
鋼中有（yǒu）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（liè）紋。雖然也有某些內部聚集組織斷麵，但斷裂通（tōng）道***初還（hái）是沿著（zhe）解理麵（miàn）穿行。所以，在鐵素體片之間、相鄰（lín）聚集組織中的鐵素體晶粒內有某些擇優（yōu）取向。
5. 貝氏體鋼斷裂
在含碳量為0.10%的低碳鋼中加入0.05%鉬和硼可優（yōu）化通常發生在700～850℃奧氏體-鐵素體轉變（biàn），且不影響其後（hòu）在450℃和675℃時奧氏體-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“上貝氏體”；在450～525℃之間形成的稱為“下貝氏體”。兩種（zhǒng）組織均由（yóu）針狀鐵素體和分散（sàn）的碳化物組成。當轉變溫度從675℃降至450℃時，未回火貝氏體的抗拉強度會從585MPa升高至1170MPa。
因為轉變溫度由合金（jīn）元素（sù）含量決定，並間接影響屈服和抗拉（lā）強（qiáng）度。這（zhè）些鋼獲得的高（gāo）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（sù）體片（piàn）尺寸（cùn）不斷細化（huà）。
2）在下貝氏體內精細的碳化（huà）物不斷分散。這些鋼的斷口特征在很大程（chéng）度上取決於抗拉（lā）強度（dù）和（hé）轉變溫度。
有兩種作用要（yào）注意：第一，一定的抗拉強度（dù）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體。原因是在上貝氏體中，球（qiú）光體內（nèi）的（de）解理小平麵切割了若幹貝氏體晶粒，決定斷裂的主要尺寸是奧氏體晶（jīng）粒尺寸。
在下（xià）貝氏體中，針狀鐵素體內的解理麵未排成一（yī）直線（xiàn），因此決定準解（jiě）理斷裂麵是（shì）否斷裂的主要特征是針狀鐵素體（tǐ）晶粒尺（chǐ）寸。因為這裏的針狀鐵素體晶粒尺寸僅為上貝氏體中（zhōng）的奧氏體晶粒尺寸的1/2。所以，在同一強度級別，下貝氏（shì）體轉（zhuǎn）變溫度比上貝氏體低許多。
除（chú）了上麵的原（yuán）因之外是碳化物分布。在上貝氏體中碳（tàn）化物位於晶界沿線，並通過降低抗拉強度Rm增加脆性。在回火的下貝氏體中，碳化物非常均勻（yún）地分布的鐵素體中，同時通過（guò）限製（zhì）解理裂紋以提高抗（kàng）拉強度並促進球化（huà）珠光體細化。
第二，要注意的（de）是未回火合（hé）金中轉變溫度與抗拉強度的變化。在上貝氏體中，轉變溫度的降低會使針狀鐵素（sù）體尺寸細化同時升（shēng）高延伸強度Rp0.2。
在下貝氏（shì）體中（zhōng），為獲得830MPa或更高的抗拉強度，也可通過降低轉變溫（wēn）度提高強度的方法實現（xiàn）。然而，因為上貝（bèi）氏體（tǐ）的斷口應力取決於奧氏體晶（jīng）粒尺寸，而此時的碳化物顆粒尺寸已經很大，因此通過回火提高抗拉強度的作用很小。
6. 馬氏體鋼斷裂
碳或其它元（yuán）素加入鋼中（zhōng）可延遲奧氏體轉變（biàn）成鐵素體和珠光（guāng）體或貝氏體，同時（shí）奧氏體化後如果（guǒ）冷卻速度足夠快，通過剪切工（gōng）藝奧氏體會變成馬氏體而（ér）不需進行原子擴散。
理（lǐ）想的馬氏體（tǐ）斷裂應具（jù）有以下（xià）特征：
因為轉變溫度很低（200℃或（huò）更低），四麵體鐵素體（tǐ）或針狀馬氏體非常細。
因為通過剪切發生轉變，奧氏體（tǐ）中的碳（tàn）原子來（lái）不及擴散（sàn）出（chū）晶體，使鐵素體（tǐ）中的碳原子飽和從而使馬氏體晶粒拉長導致晶格膨（péng）脹。
發生馬氏體轉（zhuǎn）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（shì）體增加阻力。所（suǒ）以，轉變後的結構是馬氏體（tǐ）和殘餘（yú）奧氏體的混合（hé）結構。
為了保（bǎo）證鋼的性能穩定，必須進行回火（huǒ）。高碳（0.3%以（yǐ）上）馬（mǎ）氏體，在以下範圍內回（huí）火約1h，經曆以下三（sān）個階段。
1）溫（wēn）度達到約100℃時，馬氏體某些過飽（bǎo）和碳沉澱並形成非常細（xì）小的ε-碳化（huà）物顆粒，分散於馬（mǎ）氏體中而降低碳含量（liàng）。
2）溫度（dù）在100～300℃之間，任何殘餘奧氏體都（dōu）可能轉（zhuǎn）變成貝氏體和ε-碳化物。
3）在第3階段回火中，大約200℃起取決於碳含量和合金成（chéng）分。當回火溫度升（shēng）至共析溫度，碳（tàn）化物沉（chén）澱變粗同時Rp0.2降低。
7.中強度鋼（620MPa<Rp0.2<1240MPa）斷裂
除了消除應力提高（gāo）衝擊韌性（xìng）之外，回火還有（yǒu）以下（xià）兩種作用：第一（yī），轉變（biàn）殘餘奧氏體（tǐ）。殘（cán）留奧氏體將在低溫約30℃轉變成韌性針狀下貝氏體。在較高的溫（wēn）度如600℃，殘餘奧（ào）氏體會轉變成脆性的珠光體（tǐ）。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（zhū）光體，稱這種回火製度為（wéi）“二次回火”。
第二，增加彌散性碳化物含量（抗拉（lā）強度Rm增加），降（jiàng）低屈服強（qiáng）度（dù）。如果升高回火溫度，兩者（zhě）都（dōu）將會（huì）引起衝擊，轉變回火範圍降低。因為顯微組織（zhī）變精細，在同（tóng）樣強度級別，將提（tí）高抗拉塑性。
回火脆性是可逆的。如果回火溫度高到超過了臨界範圍而降低了轉變溫度，可（kě）將（jiāng）材料再加熱後在（zài）臨界範圍處（chù）理，回火溫度才可以再升高。如果出現微（wēi）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（qù）脆作用。如果其它合金元素存在，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（dù）鋼（Rp0.2>1240MPa）斷裂
高強（qiáng）鋼可通過以下方法進行生產：淬火和回（huí）火（huǒ）；淬火和回火前奧氏體變形；退火和時（shí）效生產（chǎn）沉澱硬化（huà）鋼（gāng）。此外，還可通過應（yīng）變和再回火或回火期應變，都可進一步提高鋼的強度。
9. 不鏽鋼斷裂
不鏽鋼（gāng）主要由鐵-鉻、鐵-鉻（gè）-鎳合金和（hé）其它（tā）改（gǎi）善力（lì）學性能（néng）與抗蝕能力的（de）元素組成。不（bú）鏽鋼防蝕是因為在金（jīn）屬（shǔ）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（qì）氛中能防（fáng）止（zhǐ）腐蝕並使鉻氧化物層得到（dào）強化。但在還原氣氛中，鉻氧化層受到損害。抗蝕（shí）性隨著鉻（gè）、鎳含量增（zēng）加而增加（jiā）。鎳可全麵提升鐵的（de）鈍（dùn）化性。
增加碳是為了改善力學（xué）性能和保證奧氏體不鏽鋼性能的穩（wěn）定。一般說來，不鏽鋼利用顯微組（zǔ）織進行分類。
馬氏體不鏽鋼。屬於鐵-鉻合金，可進行奧氏體化和（hé）後序熱處（chù）理生成馬氏體。通常含鉻12%，含碳0.15%。
鐵素體不鏽鋼。含鉻約14%～18%，碳0.12%。因為鉻是鐵素體的穩定劑，奧氏體相被超過13%的鉻徹底抑製，因而是（shì）完（wán）全的鐵（tiě）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，鎳含量為8%，鉻含（hán）量為18%（300型）能使奧氏體相非常穩（wěn）定。奧氏體不鏽鋼類似於鐵素（sù）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（gāng）特征，如晶粒尺（chǐ）寸等與同級別的其它鐵素體鋼（gāng）和馬氏體鋼相似。
奧氏體（tǐ）不鏽係FCC結構，在冷凍溫度下都不可（kě）能解理斷裂。大型件冷軋80%後（hòu），310型不鏽鋼有極（jí）高的屈服強度和缺口敏感性，甚至在（zài）溫度低至-253℃還（hái）具有1.0的缺口敏感性比。因（yīn）此，可用於導.彈係統的液氫貯存箱。相似的301型不鏽鋼可用於溫度低至183℃的液氧貯存箱。但在這些（xiē）溫（wēn）度以下是不穩定的，如發生任何塑性變形，不穩（wěn）定的奧氏體都會變成脆性的非回火馬氏體。絕大多數奧氏體（tǐ）鋼用（yòng）於防腐環境，被加熱（rè）至（zhì）500～900℃溫度（dù）範圍，鉻碳化物會沉澱在奧氏體（tǐ）晶界，結（jié）果（guǒ）使晶界附近範圍內的鉻層被完全耗盡。該部位（wèi）非常容易受到（dào）腐蝕和局部（bù）腐蝕，如果存在應力，還可導致晶（jīng）脆（cuì）性斷裂（liè）。
為了減輕上述危害，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（bèi）耗盡和（hé）隨之而致的應力腐蝕裂（liè）紋。常（cháng）稱這種處理為“穩定化處理”。
奧（ào）氏（shì）體不鏽鋼也常用於（yú）高溫（wēn），如壓力（lì）容器，防（fáng）止和滿足抗腐蝕和抗蠕變。某些鋼種因為在焊（hàn）後熱處理和（hé）高溫環境下對熱影響區（qū）及（jí）其附近的裂紋十分敏感。所（suǒ）以（yǐ），當焊接再加熱時，受高溫（wēn）作用，铌或鈦碳化物會（huì）在晶粒（lì）內和晶界沉澱，導致裂紋產（chǎn）生而（ér）影響使用壽命，這必須給予（yǔ）高（gāo）度重視。
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