Понимание хрупкости:определение, причины, примеры и общие материалы

Хрупкость — это свойство материала, которое описывает его склонность к разрушению практически без пластической деформации при воздействии на него напряжения. Хрупкое поведение возникает, когда атомы в материале не могут скользить друг мимо друга, сохраняя при этом общую целостность структуры атомной решетки. Трещины в хрупких материалах образуются и быстро распространяются либо поперек зерен, либо вдоль границ зерен, когда они подвергаются достаточно высоким напряжениям. Обычно этот процесс протекает быстро.
Любой, кто когда-либо ронял и разбивал тарелку или кончик карандаша, знаком с хрупкими материалами. Примеры хрупких материалов включают стекло, керамику, графит и сплавы с низкой пластичностью, такие как стали с высоким содержанием углерода и чугун.
В этой статье будет рассмотрена концепция хрупкости, объяснены ее причины и описаны примеры хрупких материалов.

Что такое хрупкость?

Хрупкость — это склонность материала легко ломаться, трескаться или ломаться. Хрупкостью могут обладать металлы, керамика, пластмассы, стекло и композитные материалы.

Что такое хрупкость в материаловедении?

В материаловедении хрупкостью называют свойство, характеризующее склонность материала к разрушению при минимальной пластической деформации. Хрупкие материалы плохо поглощают энергию перед разрушением.

Что такое хрупкость в химии?

В химии хрупкость означает неспособность материала деформироваться из-за его атомной микроструктуры. Некоторые микроструктуры, в которых атомы имеют много систем скольжения и имеют больше возможностей для дислокации, делают материалы менее хрупкими. Другие, например те, в которых атомы имеют мало систем скольжения, приводят к тому, что материалы становятся более хрупкими.

Что является примером хрупкости?

Хрупкость может быть врожденным свойством или вызвана внешними факторами. К хрупким по своей природе материалам относятся стекло, кирпичи, яичная скорлупа, графит и щелочные металлы, такие как магний. К материалам, которые не являются хрупкими по своей сути, но становятся хрупкими под действием определенных факторов, таких как низкие рабочие температуры, межкристаллитная коррозия и водородное охрупчивание, включают низко- и высокоуглеродистые стали и титан.

Когда возникает хрупкость материала?

Хрупкость — это интенсивное физическое свойство материала, то есть на него не влияет размер или протяженность материала. Хотя некоторые материалы, такие как большая часть керамики и стекла, по своей природе хрупкие из-за своей атомной структуры и отсутствия доступных систем скольжения, некоторые обычно пластичные материалы могут стать хрупкими при понижении температуры.

Обычно пластичные материалы также могут стать хрупкими из-за водорода или коррозии по границам зерен. Водородное охрупчивание происходит посредством множества сложных механизмов, которые до сих пор полностью не изучены. Общей чертой является то, что атомы водорода (а не молекулы газа H2) диффундируют в металл и наносят ущерб. Вредные эффекты могут быть вызваны образованием газообразных частиц, повышающих внутреннее давление, образованием хрупких твердотельных соединений или увеличением скорости движения дислокаций, что увеличивает скорость распространения трещин в металле.

Межкристаллитная коррозия возникает, когда металл преимущественно подвергается воздействию коррозионного агента в местах, которые могут быть слабыми на его поверхности:границах между зернами. Межкристаллитная коррозия обычно приводит к отложению хрупких продуктов коррозии между зернами, заменяя обычно пластичный металл и обеспечивая легкий путь разрушения через нежелательный хрупкий материал.

Каковы причины хрупкости?

Причины хрупкости не одинаковы для каждого материала. В списке ниже более подробно описаны некоторые распространенные причины:

1. Аморфные материалы (например, стекло) не имеют организованной атомной структуры. Атомам не существует простого способа проскользнуть мимо друг друга. Дислокации, являющиеся дефектами атомного уровня в кристаллах, закрепляются на месте, делая аморфные материалы хрупкими.
2. Сильные ионные связи между заряженными атомами препятствуют скольжению и делают материал хрупким. Это часто случается с керамическими материалами.
3. Низкие температуры могут уменьшить тепловую энергию атомов внутри материала и сделать их более устойчивыми к скольжению и дислокации.
4. Материалы с меньшим количеством систем скольжения или возможностей для смещения атомов более хрупкие, чем материалы с большим количеством систем скольжения.
5. Примеси или посторонние атомы в материале могут вызвать хрупкость. Это относится к водородному охрупчиванию и некоторым сплавам, например чугуну.

Какие бывают хрупкие материалы?

Некоторые примеры хрупких материалов описаны ниже:

1. Стекло

Стекло – один из самых известных хрупких материалов. Он хрупкий из-за своей аморфной структуры. В строении стекла на атомном уровне отсутствует организованная структура кристаллических материалов. Без организованных атомных плоскостей, которые могут скользить друг относительно друга, невозможно снять напряжение, стремящееся отодвинуть атомы друг от друга. В конечном итоге она превысит прочность межатомных связей, что приведет к образованию трещин, которые быстро распространяются по материалу, вызывая его внезапный разрыв.

2. Керамика

Термин «керамика» применяется к широкому спектру материалов, таких как цемент, эмаль, кирпич, фарфор и керамика. Атомные структуры кристаллизованной керамики в основном состоят из прочных ионных связей между заряженными атомами. Эти ионные связи образуют кристаллы, которые затрудняют скольжение атомных плоскостей друг относительно друга. Следовательно, атомам трудно смещаться, что делает материал хрупким.

3. Графит

Графит — это мягкая и хрупкая кристаллическая форма углерода с гексагональной плотноупакованной (HCP) кристаллической структурой. Хрупкость может быть связана с кристаллической структурой конкретного материала и количеством систем скольжения, которые имеет структура. Материалы с кристаллическими структурами, имеющими меньше систем скольжения, более хрупкие, поскольку их атомы более устойчивы к дислокации. ГПУ-структуры в графите имеют три системы скольжения, тогда как ГЦК-системы в другом аллотропе углерода, алмазе, имеют 12 систем скольжения. Кроме того, графит имеет сильные ковалентные связи между атомами внутри одной плоскости, но слабые связи между плоскостями. И это, и его структура HCP способствуют хрупкости графита.

4. Сплавы с низкой пластичностью

Сплавы с низкой пластичностью, такие как чугун и титан, также являются примерами хрупких материалов. Кристаллическая структура оказывает большое влияние на хрупкость сплава. Например, материалы со структурой FCC, такие как медь, более пластичны, чем материалы со структурой HCP, такие как титан или магний. Структуры FCC имеют 12 систем скольжения, тогда как конструкции HCP имеют только 3 системы скольжения. Наличие трех систем скольжения делает структуры HCP более хрупкими, поскольку атомы внутри их структуры более устойчивы к смещению.

В чем важность выявления хрупкости?

Важно идентифицировать хрупкие материалы, поскольку хрупкие материалы могут повлиять на успешную реализацию и долговечность конструкции. Для конструкций часто выбирают хрупкие материалы из-за их высокой прочности. Однако, поскольку хрупкие материалы могут разрушаться практически без предупреждения, хрупкое разрушение может иметь катастрофические последствия. Рекомендуется выбирать более пластичные материалы, способные выдерживать нагрузки, требуемые хрупким материалом в конструкциях.

Как определяется хрупкость?

Хрупкость определяется путем проведения испытания на растяжение и расчета пластичности материала. Материал считается хрупким, если при испытании на растяжение он демонстрирует низкую пластичность. Стандартным методом испытаний металлических материалов на растяжение является ASTM E8. Соответствующую процедуру для пластмасс можно найти в ASTM D638. Испытание на растяжение состоит из подготовки испытательного образца стандартизированных размеров и последующего приложения постоянно возрастающей растягивающей нагрузки до тех пор, пока образец не сломается. Значения напряжения и деформации, испытываемые образцом, фиксируются и используются для определения пластичности и, косвенно, его хрупкости.

Какова формула хрупкости?

Специальной формулы для хрупкости не существует. Однако хрупкость материала можно определить по одной из двух формул пластичности, показанных ниже:

Пластичность определяется как процент общего удлинения материала от начала испытания до разрушения или соответствующее процентное уменьшение площади поперечного сечения материала при разрушении.

Чем ниже измеренная пластичность, тем более хрупким считается материал. Формула процентного удлинения аналогична формуле инженерной деформации.
См. нашу статью «Как рассчитать пластичность?» для более подробного обзора темы пластичности. 

Каковы типы хрупкости?

Два типа хрупких изломов — транскристаллитные и межкристаллитные. Более подробно они описаны ниже:

1. Трансгранулярный:трещины распространяются по зернам материала. Трещины идут по пути наименьшего сопротивления и меняют направление, следуя по самым слабым плоскостям спайности. Большие размеры зерен (меньшее количество границ зерен) позволяют трещинам распространяться быстрее, поскольку границы зерен препятствуют распространению трещин. Следовательно, большие размеры зерен способствуют более высокому уровню хрупкости.
2. Межзеренный:трещины распространяются вдоль границ зерен материала. Это обычно происходит, когда границы зерен хрупкие, что вызвано водородным охрупчиванием и межкристаллитной коррозией.

Что является противоположностью хрупкости?

Пластичность считается противоположностью хрупкости. Пластичность – это свойство материала, которое описывает способность материала пластически деформироваться. Понимание роли механики разрушения и пластичных и хрупких материалов имеет важное значение для проектирования безопасных, эффективных и долговечных деталей и конструкций.

Является ли хрупкость физическим свойством?

Да, хрупкость — это физическое свойство. Он характеризует, как атомы физической структуры материала взаимодействуют друг с другом при приложении напряжения.

В чем разница между «хрупким» и «хрупким»?

«Хрупкий» и «хрупкий» часто используются как синонимы. Однако между их определениями существуют различия. «Хрупкий» просто описывает материал, который легко сломать. Хотя термин «хрупкий» также относится к материалам, которые легко разрушаются, более конкретно он относится к материалам, которые являются твердыми, жесткими и не имеют значительной пластической деформации перед разрушением. В материаловедении слово «хрупкость» имеет более конкретное определение, поскольку оно указывает на отсутствие пластичности, то есть разрушение материала с минимальной деформацией. «Хрупкий» — это более широкий термин, который может описывать материалы, которые, возможно, не являются технически хрупкими, но все же легко повреждаются.

Сводка

В этой статье была представлена хрупкость, объяснено, что это такое, и обсуждены различные типы хрупких материалов. Чтобы узнать больше о хрупкости, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



TPE против TPU:ключевые различия и выбор подходящего материала для 3D-печати SolidWorks и Onshape:комплексное сравнение САПР