金属材料中的 FATT 是什么意思？
在金属材料的世界里，“FATT”这个缩写，一旦深入了解，你会发现它可不是个简单的小字眼，它关系到材料的“性格”，尤其是在面对温度变化时。简单来说，FATT 指的是脆性转变温度（Fracture Appearance Transition Temperature）。
但“脆性转变温度”这几个字也只是一个起点，真正的含义需要我们一点点剥开。
FATT 的核心：从韧性到脆性的“变脸”
想象一下，金属材料就像是一个人，在不同的环境下，它的表现也会不一样。在温度升高的时候，它可能表现得很“韧”，能够吸收能量，发生明显的塑性变形，然后才断裂。这就像一个人在心情好的时候，能够从容地面对困难，甚至还能开开玩笑。
然而，当温度降低到一定程度，材料的“性格”就会突然转变。它会变得很“脆”，就像摔碎的玻璃一样，在受到一点点冲击或者应力时，就会发生断裂，而且这个断裂过程几乎没有明显的塑性变形。这就像一个人在情绪低落的时候，稍微一点小事都能让他崩溃。
FATT 就是这个“变脸”的临界温度点。它是材料从韧性断裂（Ductile Fracture）转变为脆性断裂（Brittle Fracture）的温度。在这个温度附近，材料的断裂行为会发生显著的变化。
为什么会有这个“转变”？—— 微观层面的解读
要理解 FATT，我们得钻到金属材料的微观世界里去看看。金属材料的微观结构是由许多晶粒组成的，晶粒之间是晶界，晶粒内部有位错（dislocation）等缺陷。
韧性断裂： 当材料在较高的温度下时，位错更容易在晶格中移动。这些位错的移动会吸收大量的能量，允许材料发生塑性变形，使裂纹尖端钝化，难以扩展。断裂表面通常呈现海绵状、撕裂状的纤维状断口，这正是大量塑性变形的痕迹。
脆性断裂： 当温度降低时，位错的移动变得困难，晶格振动幅度减小。同时，一些杂质原子或者微小的缺陷（比如夹杂物、气孔）会成为裂纹萌生的“种子”。在低温下，材料无法通过位错滑移来有效吸收能量，裂纹一旦萌生，就会以极快的速度沿着晶界或穿过晶粒传播，裂纹尖端应力高度集中，几乎没有塑性变形。断裂表面通常呈现平面状、解理面状的晶粒形貌，有时还会看到“人字形”的裂纹扩展痕迹。
FATT 就是标志着位错移动变得足够困难，以至于材料无法再通过塑性变形来抵抗裂纹扩展的那个温度界限。
如何“测量”FATT？—— 并不是一个精确的点，而是一个范围
FATT 并不是一个像熔点或沸点那样精确的固定值，它更像是一个转变区域。因为材料的性能受到很多因素的影响，所以通常我们会通过一系列的测试来确定一个代表性的 FATT 值。
最常用的测试方法是夏比冲击试验（Charpy Impact Test）。在这个试验中，我们会准备一系列在不同温度下进行过冲击的样品，然后测量每个样品吸收的冲击能量。
在高温下，样品会吸收很多能量，发生很大的塑性变形才断裂。
在低温下，样品会很快断裂，吸收的能量很少。
通过绘制冲击吸收能量与试验温度的关系曲线，我们可以看到一个明显的“S”形曲线。FATT 通常被定义为在该温度下，断口从韧性断口转变为脆性断口的某个百分比（通常是50%），或者吸收能量突然下降的某个数值对应的温度。
举个例子，如果我们进行一系列在不同温度下的夏比冲击试验，并观察断口形貌，我们可能会发现：
在 20°C 下，断口是典型的韧性断口，纤维状。
在 0°C 下，断口可能混合了一些脆性断裂的区域，韧性断裂区域仍占多数。
在 20°C 下，断口大部分区域是脆性断口，只有很小的韧性区域。
在 40°C 下，断口几乎全是脆性断口。
那么，这个材料的 FATT 可能就被确定在 0°C 附近，或者某个定义好的百分比转变点。
FATT 的重要性：关乎安全，尤其在严寒地区
FATT 这个概念之所以如此重要，是因为它直接关系到金属材料在实际应用中的可靠性和安全性。
结构件的低温服役： 很多重要的结构件，例如桥梁、船舶、压力容器、管道、飞机起落架等等，都可能在低温环境下工作。如果这些材料的 FATT 很高，高于它们的工作温度，那么一旦遇到冲击或应力集中，就可能发生灾难性的脆性断裂。想想看，一艘在北极海域航行的船，如果船体材料在极低温下变得非常脆弱，后果不堪设想。
焊接性能： 焊接过程中，热影响区（HAZ）的材料组织会发生变化，这也会影响其 FATT。如果焊缝区域的 FATT 升高，那么焊缝本身就可能成为薄弱环节，容易在低温下发生脆性断裂。
材料选择和设计： 在选择材料时，工程师会特别关注材料的 FATT。他们需要确保所选材料在预期的最低工作温度下，其性能是韧性的，能够承受冲击和载荷。如果材料的 FATT 无法满足要求，可能就需要选择其他材料，或者通过合金化、热处理等手段来降低 FATT。
影响 FATT 的因素：
FATT 受多种因素的影响，这使得材料的设计和选择更加复杂：
合金成分： 比如钢中的碳含量、镍、锰、钼等合金元素，都会对 FATT 产生显著影响。例如，加入镍可以显著降低钢的 FATT。
晶粒尺寸： 通常情况下，细晶粒的材料比粗晶粒的材料有更低的 FATT。这是因为细晶粒结构提供了更多的晶界，而晶界是位错滑移的阻碍，也可能影响裂纹的传播路径。
夹杂物和缺陷： 钢中的非金属夹杂物（如硫化物、氧化物）是脆性断裂的重要引发源，它们会显著提高 FATT。
热处理工艺： 退火、正火、淬火、回火等热处理工艺都会改变材料的微观组织，从而影响 FATT。
加工工艺： 冷加工也会引入位错，改变材料的性能，可能影响 FATT。
与韧脆转变温度（DTT）的区别：
有时候，人们也会提到“韧脆转变温度”（DuctiletoBrittle Transition Temperature）。严格来说，FATT 和 DTT 是相关的，但侧重点略有不同。
FATT (Fracture Appearance Transition Temperature) 更侧重于断口形貌的变化，即从纤维状（韧性）到解理状（脆性）的转变。
DTT (DuctiletoBrittle Transition Temperature) 更侧重于断裂力学行为的变化，比如从吸收能量较大的韧性断裂到吸收能量较小的脆性断裂的转变。
在实际应用中，这两个概念经常被混用，或者 FATT 被用来代表 DTT。但理解它们在微观和宏观上的侧重点，有助于更深入地把握材料的断裂行为。
总而言之，FATT 就是金属材料从“柔韧”变得“易碎”的那道温度门槛。它是一个至关重要的参数，关乎着我们在低温环境下使用金属材料的信心和安全。理解了 FATT，也就理解了金属材料在不同温度下的“心情”和“身体状况”。
但“脆性转变温度”这几个字也只是一个起点，真正的含义需要我们一点点剥开。
FATT 的核心：从韧性到脆性的“变脸”
想象一下，金属材料就像是一个人，在不同的环境下，它的表现也会不一样。在温度升高的时候，它可能表现得很“韧”，能够吸收能量，发生明显的塑性变形，然后才断裂。这就像一个人在心情好的时候，能够从容地面对困难，甚至还能开开玩笑。
然而，当温度降低到一定程度，材料的“性格”就会突然转变。它会变得很“脆”，就像摔碎的玻璃一样，在受到一点点冲击或者应力时，就会发生断裂，而且这个断裂过程几乎没有明显的塑性变形。这就像一个人在情绪低落的时候，稍微一点小事都能让他崩溃。
FATT 就是这个“变脸”的临界温度点。它是材料从韧性断裂（Ductile Fracture）转变为脆性断裂（Brittle Fracture）的温度。在这个温度附近，材料的断裂行为会发生显著的变化。
为什么会有这个“转变”？—— 微观层面的解读
要理解 FATT，我们得钻到金属材料的微观世界里去看看。金属材料的微观结构是由许多晶粒组成的，晶粒之间是晶界，晶粒内部有位错（dislocation）等缺陷。
韧性断裂： 当材料在较高的温度下时，位错更容易在晶格中移动。这些位错的移动会吸收大量的能量，允许材料发生塑性变形，使裂纹尖端钝化，难以扩展。断裂表面通常呈现海绵状、撕裂状的纤维状断口，这正是大量塑性变形的痕迹。
脆性断裂： 当温度降低时，位错的移动变得困难，晶格振动幅度减小。同时，一些杂质原子或者微小的缺陷（比如夹杂物、气孔）会成为裂纹萌生的“种子”。在低温下，材料无法通过位错滑移来有效吸收能量，裂纹一旦萌生，就会以极快的速度沿着晶界或穿过晶粒传播，裂纹尖端应力高度集中，几乎没有塑性变形。断裂表面通常呈现平面状、解理面状的晶粒形貌，有时还会看到“人字形”的裂纹扩展痕迹。
FATT 就是标志着位错移动变得足够困难，以至于材料无法再通过塑性变形来抵抗裂纹扩展的那个温度界限。
如何“测量”FATT？—— 并不是一个精确的点，而是一个范围
FATT 并不是一个像熔点或沸点那样精确的固定值，它更像是一个转变区域。因为材料的性能受到很多因素的影响，所以通常我们会通过一系列的测试来确定一个代表性的 FATT 值。
最常用的测试方法是夏比冲击试验（Charpy Impact Test）。在这个试验中，我们会准备一系列在不同温度下进行过冲击的样品，然后测量每个样品吸收的冲击能量。
在高温下，样品会吸收很多能量，发生很大的塑性变形才断裂。
在低温下，样品会很快断裂，吸收的能量很少。
通过绘制冲击吸收能量与试验温度的关系曲线，我们可以看到一个明显的“S”形曲线。FATT 通常被定义为在该温度下，断口从韧性断口转变为脆性断口的某个百分比（通常是50%），或者吸收能量突然下降的某个数值对应的温度。
举个例子，如果我们进行一系列在不同温度下的夏比冲击试验，并观察断口形貌，我们可能会发现：
在 20°C 下，断口是典型的韧性断口，纤维状。
在 0°C 下，断口可能混合了一些脆性断裂的区域，韧性断裂区域仍占多数。
在 20°C 下，断口大部分区域是脆性断口，只有很小的韧性区域。
在 40°C 下，断口几乎全是脆性断口。
那么，这个材料的 FATT 可能就被确定在 0°C 附近，或者某个定义好的百分比转变点。
FATT 的重要性：关乎安全，尤其在严寒地区
FATT 这个概念之所以如此重要，是因为它直接关系到金属材料在实际应用中的可靠性和安全性。
结构件的低温服役： 很多重要的结构件，例如桥梁、船舶、压力容器、管道、飞机起落架等等，都可能在低温环境下工作。如果这些材料的 FATT 很高，高于它们的工作温度，那么一旦遇到冲击或应力集中，就可能发生灾难性的脆性断裂。想想看，一艘在北极海域航行的船，如果船体材料在极低温下变得非常脆弱，后果不堪设想。
焊接性能： 焊接过程中，热影响区（HAZ）的材料组织会发生变化，这也会影响其 FATT。如果焊缝区域的 FATT 升高，那么焊缝本身就可能成为薄弱环节，容易在低温下发生脆性断裂。
材料选择和设计： 在选择材料时，工程师会特别关注材料的 FATT。他们需要确保所选材料在预期的最低工作温度下，其性能是韧性的，能够承受冲击和载荷。如果材料的 FATT 无法满足要求，可能就需要选择其他材料，或者通过合金化、热处理等手段来降低 FATT。
影响 FATT 的因素：
FATT 受多种因素的影响，这使得材料的设计和选择更加复杂：
合金成分： 比如钢中的碳含量、镍、锰、钼等合金元素，都会对 FATT 产生显著影响。例如，加入镍可以显著降低钢的 FATT。
晶粒尺寸： 通常情况下，细晶粒的材料比粗晶粒的材料有更低的 FATT。这是因为细晶粒结构提供了更多的晶界，而晶界是位错滑移的阻碍，也可能影响裂纹的传播路径。
夹杂物和缺陷： 钢中的非金属夹杂物（如硫化物、氧化物）是脆性断裂的重要引发源，它们会显著提高 FATT。
热处理工艺： 退火、正火、淬火、回火等热处理工艺都会改变材料的微观组织，从而影响 FATT。
加工工艺： 冷加工也会引入位错，改变材料的性能，可能影响 FATT。
与韧脆转变温度（DTT）的区别：
有时候，人们也会提到“韧脆转变温度”（DuctiletoBrittle Transition Temperature）。严格来说，FATT 和 DTT 是相关的，但侧重点略有不同。
FATT (Fracture Appearance Transition Temperature) 更侧重于断口形貌的变化，即从纤维状（韧性）到解理状（脆性）的转变。
DTT (DuctiletoBrittle Transition Temperature) 更侧重于断裂力学行为的变化，比如从吸收能量较大的韧性断裂到吸收能量较小的脆性断裂的转变。
在实际应用中，这两个概念经常被混用，或者 FATT 被用来代表 DTT。但理解它们在微观和宏观上的侧重点，有助于更深入地把握材料的断裂行为。
总而言之，FATT 就是金属材料从“柔韧”变得“易碎”的那道温度门槛。它是一个至关重要的参数，关乎着我们在低温环境下使用金属材料的信心和安全。理解了 FATT，也就理解了金属材料在不同温度下的“心情”和“身体状况”。
网友意见
FATT 指的是 fracture appearance transition temperature，也就是断裂形貌转变温度。
这个温度跟韧脆转变温度（DBTT)类似，是用来衡量金属产生低温脆性的温度。
随着温度的降低，很多体心立方的金属会由韧性转变为脆性。这个转变可以由断裂吸收能来确定，低温下材料的断裂时吸收的能量会降低，而DBTT则表示吸收能降低到一定值或一定比例时的温度。
韧脆转变也可以通过断口形貌来确定，随着温度的降低，断口中脆性形貌（如解理/准解理）的占比会上升，达到50%时的温度记为FATT。
下图是FATT跟DBTT的示意图[1]，不过通常情况下DBTT跟FATT在数值上会有一定的差别。
参考
- ^Ou, Shengquan, et al. "Micro-impact test on lead-free BGA balls on Au/electrolytic Ni/Cu bond pad." Proceedings Electronic Components and Technology, 2005. ECTC'05.. IEEE, 2005. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1441307?casa_token=3pF2_wSOJm8AAAAA:iyDVJePuPiSGk8aWgatVspEPykvxx3t9Hq9rHEzIT0wWmPyvIize7vQIQBODD7YlsfTsYB2m
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