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2025-10-21T13:00:23Z

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脆化是指導致材料變脆的一種顯著延展性下降現象。脆化一詞用於描述任何因環境（例如溫度或環境成分）而損害受應力材料機械性能的現象。這通常是不利的，因為脆性斷裂發生得更快，且比延性斷裂更容易擴展，從而導致設備的完全失效。不同材料有不同的脆化機制，因此其表現方式也多種多樣，從緩慢的裂紋擴展到拉伸延展性和韌性的降低。

== 機制 ==
脆化是一系列複雜的機制，尚未被完全理解。這些機制可能由溫度、應力、晶界或材料成分所驅動。然而，透過研究脆化過程，可以採取預防措施來減輕其影響。研究這些機制的方法有多種。在金屬脆化（ME）過程中，可以測量裂紋的擴展速率。電腦模擬也可用於闡明脆化背後的機制。這對於理解氫脆（HE）很有幫助，因為可以模擬氫在材料中的擴散過程。致脆劑在最終斷裂中並不扮演角色；其主要作用是裂紋的擴展。裂紋必須先成核。大多數脆化機制可導致穿晶或沿晶斷裂。對於金屬脆化，只有特定的金屬、應力和溫度的組合才容易發生。這與應力腐蝕破裂形成對比，在應力腐蝕破裂中，只要環境條件適當，幾乎任何金屬都可能受到影響。然而，後者的機制遠比液態金屬脆化（LME）慢，這表明它引導原子流向裂紋，也同時流離裂紋。對於中子脆化，其主要機制是核分裂產物在材料內部引起的碰撞。

== 金屬脆化 ==
=== 氫脆 ===

討論最廣泛且危害最大的脆化現象之一是金屬的氫脆。氫原子可以透過多種途徑擴散到金屬中，包括來自環境或在加工過程中（如電鍍）。造成氫脆的確切機制仍未確定，但已有多種理論被提出並仍在驗證中。氫原子很可能擴散到金屬的晶界，成為差排運動的屏障，並在原子附近積聚應力。當金屬受力時，由於氫原子的存在，應力會集中在晶界附近，從而使裂紋成核並沿著晶界擴展，以釋放積聚的應力。

有許多方法可以預防或減少金屬氫脆的影響。其中一種較傳統的方法是在金屬周圍施加塗層，這些塗層將作為擴散屏障，防止氫從環境中進入材料。另一種方法是在合金中添加捕獲劑或吸收劑，這些物質會吸收氫原子並形成另一種化合物。

=== 475 °C 脆化 ===

雙相不鏽鋼因其優異的抗氧化性而廣泛應用於工業中，但由於其肥粒鐵晶粒尺寸較大以及在 280 至 500°C 溫度範圍內的脆化傾向，其韌性可能受到限制，尤其是在 475°C 時，過飽和固溶肥粒鐵發生旋節分解，形成富鐵奈米相（\acute{a}）和富鉻奈米相（\acute{a}\acute{}），並伴隨著G相的析出，這使得肥粒鐵相成為微裂紋的優先起始位置。

=== 輻射脆化 ===
輻射脆化，也稱為中子脆化，是在反應爐和核電廠中較為常見的現象，因為這些材料持續暴露在穩定的輻射中。當中子照射金屬時，材料中會產生孔洞，此現象稱為孔洞腫脹。如果材料處於潛變狀態（低應變率和高溫條件下），這些孔洞會聚集成空孔，從而損害工件的機械強度。

=== 低溫脆化 ===
在低溫下，一些金屬會經歷延脆轉變，使得材料變脆，並可能導致操作過程中的災難性失效。這個溫度通常被稱為延脆轉變溫度或脆化溫度。研究顯示，低溫脆化和脆性斷裂僅在以下特定條件下才會發生：

# 有足夠的應力使裂紋成核。
# 裂紋處的應力超過能使裂紋擴開的臨界值（也稱為格里菲斯裂紋擴開準則）。
# 對差排運動有高度的抵抗力。
# 應有少量差排的黏滯阻力以確保裂紋的擴開。

所有金屬都能滿足第 1、2、4 項標準。然而，只有體心立方（BCC）和某些六方最密堆積（HCP）金屬滿足第三個條件，因為它們具有高的皮爾斯能障以及差排與缺陷間強烈的彈性交互作用能。所有面心立方（FCC）和大多數六方最密堆積（HCP）金屬的皮爾斯能障較低，彈性交互作用能也較弱。塑膠和橡膠在低溫下也表現出同樣的轉變。

歷史上，有多起因在低溫下操作設備而導致意想不到的災難性失效事件。1944 年在克里夫蘭，一個裝有液化天然氣的圓柱形鋼槽因其在操作溫度下延展性過低而破裂。另一個著名的例子是二戰期間，160 艘自由輪在冬季月份發生了意外斷裂。裂紋在船身中部形成並擴展，船隻確實地斷成兩半。

=== 其他類型的脆化 ===
* 應力腐蝕破裂（SCC）是由於暴露於水性腐蝕性材料中引起的脆化。它依賴於腐蝕性環境和拉伸應力（而非壓縮應力）的存在。
* 硫化物應力破裂是由於吸收硫化氫引起的脆化。
* 吸附脆化是由潤濕引起的脆化。
* 液態金屬脆化（LME）是由液態金屬引起的脆化。
* 金屬誘發脆化（MIE）是由金屬原子（固態或液態）擴散到材料中引起的脆化。例如，在高強度鋼上鍍鎘，其最初目的是為了防腐蝕。
* 晶界偏析可能導致脆性的晶間斷裂。在凝固過程中，雜質會因偏析而聚集在晶界處。這種晶界偏析會在材料中形成一個低韌性路徑的網絡。
* 塑膠的主要脆化機制是塑化劑的逐漸流失，通常是由於過熱或老化所致。
* 瀝青的主要脆化機制是氧化，這在較溫暖的氣候中最為嚴重。瀝青鋪面脆化（又稱鱷魚皮裂）可導致多種形式的裂紋模式，包括縱向、橫向和塊狀（六角形）裂紋。瀝青氧化與聚合物降解有關，因為這些材料的化學成分相似。

== 無機玻璃與陶瓷的脆化 ==
其脆化機制與金屬相似。無機玻璃的脆化可透過靜態疲勞表現出來。玻璃（如派熱克斯玻璃）的脆化是濕度的函數。裂紋的擴展速率與濕度成線性關係，這表明其為一級動力學關係。派熱克斯玻璃透過此機制發生的靜態疲勞，要求溶解作用集中在裂紋尖端。如果溶解作用沿著裂紋的平坦表面均勻發生，裂紋尖端將會鈍化。這種鈍化實際上可以使材料的斷裂強度增加 100 倍。

碳化矽/氧化鋁複合材料的脆化是一個具有啟發性的例子。該系統的機制主要是氧透過基體中的裂紋擴散到材料中。氧到達碳化矽纖維並產生矽酸鹽。應力集中在新形成的矽酸鹽周圍，纖維的強度因此下降。這最終導致材料在低於其典型斷裂應力的應力下發生斷裂。

== 聚合物的脆化 ==
聚合物的成分種類繁多，這種化學上的多樣性導致了廣泛的脆化機制。聚合物脆化最常見的來源包括空氣中的氧、液態或氣態的水、太陽的紫外線輻射、酸以及有機溶劑。

這些來源改變聚合物機械性能的方式之一是透過斷鏈和鏈交聯。當主鏈中的原子鍵斷裂時，就會發生斷鏈，因此像太陽輻射這樣的環境會導致此類脆化。斷鏈會縮短材料中聚合物鏈的長度，從而導致強度下降。鏈交聯則有相反的效果。交聯數量的增加（例如在氧化環境中）會使材料變得更堅固，但延展性更差。

聚乙烯的熱氧化是斷鏈脆化的一個典型例子。一旦鏈的平均莫耳質量降至臨界值以下，隨機的斷鏈會引發材料從延性向脆性的轉變。對於聚乙烯系統，當重量平均莫耳質量降至 90kg/mol 以下時，就會發生脆化。造成這種變化的原因被推測為糾纏的減少和結晶度的增加。聚合物的延展性通常來自其非晶結構，因此結晶度的增加會使聚合物變得更脆。對於聚對苯二甲酸乙二酯，水解會產生斷鏈脆化。研究證明，機械性能的退化與可動非晶區分率（MAF）的減少有關，而延脆轉變發生在達到最低 MAF 時。這支持了對脆化機制的微觀力學解釋，而非分子層級的解釋。

矽橡膠的脆化是由於鏈交聯數量的增加。當矽橡膠在超過特定溫度的空氣中暴露時，主鏈上的甲基側基會發生氧化交聯反應。這些交聯使得橡膠的延展性顯著降低。

溶劑應力破裂是一種重要的聚合物脆化機制。當液體或氣體被聚合物吸收，最終導致系統溶脹時，就會發生此現象。聚合物的溶脹會減少剪切流動並增加銀紋的敏感性。由有機溶劑引起的溶劑應力破裂通常會導致靜態疲勞，因為流體的流動性較低。由氣體引起的溶劑應力破裂則更可能導致較高的銀紋敏感性。

聚碳酸酯是溶劑應力破裂的一個很好的例子。許多溶劑（如苯、甲苯、丙酮）已被證明能透過類似的機制使聚碳酸酯脆化。溶劑擴散到材料內部，使聚合物溶脹，誘導結晶，並最終在有序和無序區域之間產生界面。這些界面會產生孔洞和應力場，這些應力場可以在遠低於聚合物典型抗拉強度的應力下在整個材料中擴展。

== 參考資料 ==

[[分類: 待校正]]

脆化 - 修訂紀錄

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