Questa domanda probabilmente nasce dall'osservazione che la frattura di uno stesso materiale a freddo può manifestarsi in modo rapido, se non istantaneo, mentre a caldo lo fa più lentamente, dopo aver subito evidenti deformazioni. È noto che i materiali sono tanti (metalli, ceramici, polimeri ecc.) e che non è possibile dare una risposta valida per tutti, perciò daremo un quadro semplificato del fenomeno.

Per affrontare il problema dobbiamo ricordare che la frattura si verifica quando un corpo viene ridotto in frammenti sotto l'azione di uno sforzo, applicato per un tempo più o meno breve. In generale, la frattura può esprimersi in modo duttile o in modo fragile. La differenza si misura nell'entità delle deformazioni che le parti subiscono prima di essere staccate dal corpo originale. I materiali duttili subiscono deformazioni ampie e permanenti prima di giungere alla rottura, mentre i materiali fragili non lo fanno, tanto che i loro frammenti talvolta possono essere ricomposti nella ricostruzione del corpo originale.

La velocità con cui la frattura procede nel materiale è anch'essa molto specifica. Nei materiali duttili la frattura avanza lentamente e di solito non si estende se non viene applicato un ulteriore sforzo. Viceversa, in un materiale fragile, raggiunto un certo livello di sollecitazione la frattura inizia e si propaga in modo quasi istantaneo. In entrambi i casi le superfici dei frammenti presentano aspetti rivelatori del meccanismo di frattura.

Prima di arrivare al ruolo che la temperatura svolge nel meccanismo di frattura, è necessario ricordare, semplificando, che i materiali solidi possono essere cristallini o amorfi. Nel primo caso, duttilità o fragilità sono il risultato della facilità o difficoltà con cui i piani della struttura cristallina possono scorrere gli uni sugli altri quando sono sollecitati: allora si parla di scorrimento intergranulare. Nel secondo caso, invece, la deformazione è il risultato dello scorrimento delle specie molecolari nel loro insieme nella direzione della forza applicata, il che corrisponde allo scorrimento viscoso.

Questo è il quadro semplificato in cui si inserisce la temperatura che, come noto, è una espressione dell'agitazione degli atomi e delle molecole intorno alla propria posizione di equilibrio che si manifesta con l'espansione termica di tutti i materiali.

L'osservazione che per deformare un solido esso deve essere relativamente “caldo” è giustificabile perché l'agitazione termica è ampia e diminuisce le forze di coesione tra gli atomi e le molecole. Perciò se al solido si applica una forza sufficiente per superare la coesione atomico-molecolare residua esso viene deformato, e se la forza viene mantenuta attiva è possibile arrivare alla rottura, salvo il caso in cui il materiale continui a scorrere e ad allungarsi per produrre filamenti. Comunque l'energia necessaria per deformare il corpo e giungere alla rottura dipende dallo spostamento della massa del materiale, cioè dalla deformazione raggiunta che assorbe energia in maniera proporzionale.

Di conseguenza, visto che in un solido “freddo” l'agitazione termica è attenuata e non contrasta (o contrasta meno) la coesione nel solido, per iniziare la deformazione la forza necessaria dovrà essere maggiore. Però, se la frattura inizia e termina senza uno spostamento sensibile della massa del materiale, malgrado la maggior forza applicata, l'energia assorbita per giungere alla frattura sarà inferiore e spesso anche restituita in parte come energia cinetica dei pezzi che volano, staccandosi dal corpo, dopo la frattura.

Il quadro esposto fino a questo punto pone questo dubbio: se il solido freddo ha bisogno di una forza applicata superiore a quella che consente la duttilità del corpo caldo, una volta che sia stato raggiunto questo valore, perché non si deforma in modo duttile anche a freddo?
A questo punto bisogna introdurre un ulteriore dettaglio “strutturale” che si aggiunge all'agitazione termica.

È noto che le forze che riescono a produrre una deformazione plastica (duttile) sono inferiori ai valori calcolabili con i modelli delle strutture cristalline estese e ben ordinate. Per spiegare questa differenza è stato proposto un modello del solido cristallino imperfetto, un modello reale che contiene alcuni piani interrotti, cioè dei difetti che sono chiamati “dislocazioni”. Questi difetti impongono ai piani vicini delle distorsioni, cioè degli spostamenti rispetto alle posizioni di equilibrio che, di fatto, facilitano lo scorrimento.

L'immagine con cui si spiega questa facilitazione è quello del movimento di una piega, ovvero dello spostamento di un'onda di un tappeto appoggiato sul pavimento. Il lavoro per trascinare l'intero tappeto è superiore a quello necessario per far scorrere l'onda attraverso l'intera lunghezza del tappeto che, alla fine del percorso, risulterà spostato in avanti.

I materiali reali, sia caldi che freddi, contengono un certo numero di dislocazioni. La duttilità dipende dalla possibilità che le dislocazioni hanno di muoversi in tutte le direzioni. Questa libertà di movimento è limitata dal loro numero per unità di volume (densità delle dislocazioni). Quando sono numerose, s'intersecano vincolandosi reciprocamente; quando sono scarse, possono muoversi più liberamente e possono anche annullarsi. Le dislocazioni possono aumentare di numero durante la deformazione, con la conseguenza di rendere il materiale meno duttile dopo la prima deformazione (incrudimento). Un aumento della temperatura favorisce il movimento delle dislocazioni e il loro reciproco annullamento, di fatto aumentando la duttilità. Un abbassamento della temperature impedisce questi movimenti e determina la rigidità del materiale che giunge alla frattura fragile, prima di essere deformato, se la forza applicata cresce e supera un limite critico.

In definitiva, rompere un materiale freddo è più facile perché non dobbiamo spendere energia per deformare il materiale, cioè far scorrere le dislocazioni fino a che queste siano intersecate al punto da irrigidirlo e renderlo fragile. A freddo le dislocazioni non si muovono, o si muovono poco, perciò tutta la forza applicata va a incidere e superare le forze di coesione del materiale provocandone la frattura.