强度计算.结构分析：断裂分析：11.低温脆性断裂机理与预防.pdfVIP

强度计算.结构分析：断裂分析：11.低温脆性断裂机理与预

防

1低温脆性断裂概述

1.1低温脆性断裂的定义

低温脆性断裂，是指材料在低于其特定温度下，由于韧性降低而表现出的

脆性断裂现象。这种断裂通常发生在金属材料中，特别是在低温环境下，材料

的韧性显著下降，导致在应力作用下，材料不能通过塑性变形来吸收能量，而

是迅速裂开，形成脆性断裂。低温脆性断裂是工程结构设计中必须考虑的重要

因素，特别是在低温工作条件下的设备和结构，如液化天然气储罐、低温管道、

航空航天器等。

1.2低温脆性断裂的影响因素

低温脆性断裂的影响因素主要包括以下几个方面：

1.2.1材料的化学成分

材料的化学成分对其低温性能有显著影响。例如，低碳钢在低温下比高碳

钢更具有韧性，这是因为碳含量的增加会降低材料的韧性。合金元素如镍、锰

可以提高材料的低温韧性，而磷、硫等元素则会降低材料的韧性。

1.2.2材料的微观结构

材料的微观结构，如晶粒大小、相组成、位错密度等，也会影响其低温性

能。细小的晶粒通常可以提高材料的韧性，而粗大的晶粒则会降低韧性。此外，

材料中的第二相粒子如果分布不均匀，也会导致局部脆性增加。

1.2.3应力状态

应力状态对低温脆性断裂有重要影响。在单轴拉伸应力下，材料的韧性通

常较好；而在三轴应力或弯曲应力下，材料的韧性会降低，更容易发生脆性断

裂。这是因为多轴应力下，材料内部的裂纹更容易扩展。

1.2.4温度

温度是影响低温脆性断裂的直接因素。随着温度的降低，材料的韧性会逐

渐下降，直至达到一个临界温度，称为脆性转变温度（FATT）。在这个温度以下，

材料的韧性显著降低，容易发生脆性断裂。

1

1.2.5加载速率

加载速率也会影响材料的低温性能。快速加载下，材料没有足够的时间通

过塑性变形来吸收能量，更容易发生脆性断裂。而缓慢加载则可以给材料更多

的时间来适应应力，从而提高韧性。

1.2.6材料的加工历史

材料的加工历史，如热处理、冷加工等，也会影响其低温性能。不适当的

热处理或过度的冷加工会导致材料微观结构的改变，从而影响其韧性。

1.3示例分析

1.3.1示例1：计算脆性转变温度

假设我们有一组实验数据，表示不同温度下材料的冲击韧性。我们可以使

用这些数据来估计材料的脆性转变温度。以下是一个使用Python进行数据处理

和分析的示例：

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

#实验数据：温度（℃）和冲击韧性（J）

temperatures=np.array([-100,-80,-60,-40,-20,0,20,40,60])

impact_toughness=np.array([10,15,20,25,30,35,30,25,20])

#绘制冲击韧性随温度变化的曲线

plt.plot(temperatures,impact_toughness,marker=o)

plt.axhline(y=20,color=r,linestyle=--)#假设脆性转变温度对应的韧性为20J

plt.xlabel(温度(℃))

plt.ylabel(冲击韧性(J))

plt.title(冲击韧性随温度变化)

plt.grid(True)

plt.show()

#估计脆性转变温度

fatt=temperatures[np.argmin(np.abs(impact_toughness-20))]

print(f脆性转变温度(FATT)估计为：{fatt}℃)

在这个示例中，我们首先导入了numpy和matplotlib.pyplot库，用于数据

处理和绘图。然后，我们定义了两个数组，分别表示温度和冲击韧性。通过绘

制曲线，我们可以直观地看到冲击韧性随温度的变化趋势。最后，我们通过查

找冲击韧性最接近20J的温度点，来估计脆性转变温度。

2

1.3.2示例2：分析微观结构对低温脆性的影响

微观结构对低温脆性的影响可以通过电子显微镜观察和材料性能测试来分

析。以下是一个使用Python进行数据可视化，以展示不同微观结构下材料的低

温韧性差异的示例：

importpandasaspd

importsea