在材料的脆性断裂中，低温脆性断裂也是较为常见的。对于钢结构件，以铁素体钢、珠光体钢及马氏体钢最为敏感。

1.冷脆金属及其特点

随着温度的降低，发生断裂形式转化及塑性向脆性过渡的金属，称为冷脆金属。除面心立方以外的所有金属材料均属于冷脆金属，低碳钢是典型的冷脆金属。温度对低碳钢力学性能及断裂特征的影响如图4-18所示。在不同温度做拉伸试验时，低碳钢的断裂形式及塑性与脆性行为发生很大变化。在A区为典型的宏观延性断裂，B区为微孔型（心部）和解理型（周边）的混合断裂，仍为宏观延性的；在C区，也为宏观延性断裂，但不形成颈缩，断口为百分之百的解理断裂，即宏观延性解理；D区为宏观脆性解理，解理断裂应力与屈服应力重合；E区也为宏观脆性解理，与D区不同的是断口附近的晶粒内可见形变孪晶，前者为滑移变形。由此可见，随着温度的降低，低碳钢的断裂行为发生如下变化：

1）屈服强度和断裂正应力随温度降低而显著升高，而塑性指标断面收缩率Z逐渐降低。

2）在较低的温度下发生断裂形式的变化，即由微孔型断裂向解理断裂转化。

3）在更低的温度下发生塑性向脆性过渡，即由宏观延性解理断裂向宏观脆性解理断裂过渡，在此时的极限塑性趋近于零。这种过渡的临界温度就是前面所说的韧脆转变温度，在图4-18中以T_K表示。

图4-18 温度对低碳钢力学性能及断裂特征的影响

S_c—解理断裂应力 S_f—断裂正应力 R_eL—下屈服强度 S_co—解理断裂临界应力 A_f—断口中纤维区面积百数 Z—断面收缩率

上述特点，对于所有冷脆金属来说，都有类似情况。不同的冷脆金属其断裂形式及塑性向脆性过渡的对应温度相差很大。即使是同一种冷脆金属，因其内部组织结构的不同也有很大的差别。在进行实际分析时，还必须严格注意断裂零件的不同部位，也就是说，同一个零件上不同部位也有很大差别。例如：对于发生冷脆断裂的焊接结构件，取样试验时必须区分焊接接头部位和远离焊接区母材的差别。

2.冷脆金属低温脆断的特征

冷脆金属在韧脆转变温度以下发生的脆性断裂称为低温脆断。在韧脆转变温度以上，材料的断裂为韧性断裂；在韧脆转变温度以下，材料的断裂为脆性断裂。

（1）冷脆金属低温脆断断口的宏观特征 典型断口宏观特征为结晶状，并有明显的镜面反光现象。断口与正应力轴垂直，断口齐平，附近无缩颈现象，无剪切唇。断口中的反光小平面（小刻面）与晶粒尺寸相当。马氏体基高强度材料断口有时呈放射状撕裂棱台阶花样。

（2）冷脆金属低温脆断断口的微观形貌 冷脆金属低温脆断断口的微观形貌具有典型的解理断裂特征，即河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。对于一般工程结构用钢，通常所说的解理断裂，主要是在冷脆状态下产生的。

马氏体基高强度材料低温脆断的断裂机制为准解理。准解理的微观形貌除具有解理断裂的基本特征外，尚有明显的撕裂棱线的特征，而且塑性变形的特征较为明显。准解理的初裂纹源于晶内缺陷处而非晶界，这一点也与解理断裂不同。

3.低温脆断的条件及影响因素

1）只有冷脆金属才会发生低温脆断。绝大多数的体心立方金属都属于冷脆金属，都具有发生冷脆断裂的可能性。而面心立方金属不是冷脆金属，不具有冷脆转变的特点，不发生冷脆断裂。(www.daowen.com)

2）环境温度低于材料韧脆转变温度。

3）零件几何尺寸较大，零件处于平面应变状态。

材料的韧脆转变温度并不是一个固定的值，材料中的缺陷（微裂纹、缺口、大块夹杂物等）、晶粒粗大可使韧脆转变温度提高。

对于光滑试件，发生塑性向脆性过渡的临界条件为

而对于裂纹试件，发生塑性向脆性过渡的临界条件为

晶粒尺寸对低温脆断的影响是很显著的，材料的韧脆性转变温度T_K与晶粒尺寸d之间的关系为

式中 A、B——与材料有关的常数。

由于缺陷的存在或者晶粒粗大，可使材料的韧脆转变温度提高到室温，因而在室温即可发生脆性解理断裂。普通的铸铁件，虽然其硬度不高，基体为塑性很好的铁素体或珠光体，但由于晶粒粗大，并含有大量缺陷（石墨夹杂物、粗大的碳化物与孔洞等），使韧脆转变温度显著升高，所以在室温条件下即可发生宏观脆性的解理断裂。

由于焊接时在焊缝和热影响区易形成粗大组织和缺陷，导致焊接接头部位的韧脆转变温度高于焊接母材的韧脆转变温度，所以实际分析时，焊接结构的冷脆问题应引起足够重视。

4.低温脆断的分析

在对可能是冷脆金属低温脆断的零件进行分析时，确定零件所用材料的冷脆转折温度是至关重要的。分析时一定要注意材料的缺陷和晶粒是否粗大。

比较常用的方法是采用系列冲击试验确定材料的实际韧脆转变温度。