脆性

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ガラスの脆性破壊
鋳鉄引張試験片の脆性破壊

材料は、応力を受けたときに、弾性変形がほとんどなく、塑性変形が大きくない状態で破壊すると、脆くなります。脆性材料は、高強度のものであっても、破壊前に比較的少ないエネルギーを吸収します。ブレーキングには、鋭いスナップ音が伴うことがよくあります。[要出典]

材料科学で使用される場合、一般に、破損する前に塑性変形がほとんどまたはまったくない場合に破損する材料に適用されます。1つの証拠は、壊れた半分を一致させることです。これは、塑性変形が発生していないため、正確にフィットするはずです。

さまざまな材料の脆性

ポリマー

ポリマーの機械的特性は、室温付近の温度変化に敏感です。たとえば、ポリ(メチルメタクリレート)は4℃の温度では非常に脆い[1]が、温度が上がると延性が増します。アモルファスポリマーは、さまざまな温度でさまざまな動作をすることができるポリマーです。それらは、低温ではガラスのように振る舞い(ガラス領域)、中間温度ではゴム状の固体(革状またはガラス転移領域)、高温では粘性のある液体(ゴム状の流れと粘性の流れの領域)になります。この挙動は粘弾性挙動として知られています。ガラス領域では、アモルファスポリマーは硬くて脆くなります。温度が上がると、ポリマーの脆性が低下します。

金属

一部の金属は、すべりシステムのために脆い特性を示します。これらのすべりシステムの多くに沿って塑性変形が発生する可能性があるため、金属のすべりシステムが多いほど、金属の脆性は低くなります。逆に、すべりシステムが少ないと、塑性変形が少なくなり、金属がよりもろくなります。たとえば、HCP(六角形の最密充填)金属にはアクティブなすべりシステムがほとんどなく、通常は脆いです。

陶磁器

セラミックは、転位の動きや滑りが難しいため、一般に脆いです。結晶性セラミックには、転位が移動できるスリップシステムがほとんどないため、変形が困難になり、セラミックがより脆くなります。セラミック材料は一般にイオン結合を示します。イオンの電荷と同様に帯電したイオンの反発により、スリップはさらに制限されます。

脆性材料の変更

材料を変更して、より脆くしたり、より脆くしたりすることができます。

強化

脆性および延性材料の応力-ひずみ曲線を比較するグラフ

材料がその強度の限界に達すると、通常、変形または破壊のいずれかのオプションがあります。自然に可鍛性のある金属は、塑性変形のメカニズム(結晶粒径の縮小、析出硬化、加工硬化など)を妨げることでより強くすることができますが、これを極端にすると、破壊が起こりやすくなり、材料はもろくなる。したがって、材料の靭性を改善することは、バランスをとる行為です。ガラスなどの自然に脆い材料は、 効果的に強化することは難しくありません。そのような技術のほとんどは、2つのメカニズムのうちの1つを含みます:伝播する亀裂の先端を偏向または吸収するため、または慎重に制御された残留応力を作成して、特定の予測可能なソースからの亀裂が強制的に閉じられるようにします。最初の原理は、2枚のガラスがポリビニルブチラールの中間層によって分離されている合わせガラスで使用されます。ポリビニルブチラールは、粘弾性ポリマーとして、成長する亀裂を吸収します。 2番目の方法は、強化ガラスとプレストレストコンクリートで使用されます。ガラス強化のデモンストレーションは、プリンスルパートのドロップによって提供されます。脆いポリマー金属粒子を使用して、サンプルに応力がかかったときにクレージングを開始することで強化できます。良い例は、耐衝撃性のポリスチレンまたはHIPSです。最も脆くない構造用セラミックは、炭化ケイ素(主にその高強度による)と変態強化ジルコニアです。

複合材料では別の哲学が使用されており、たとえば、脆いガラス繊維がポリエステル樹脂などの延性のあるマトリックスに埋め込まれています。ひずみを加えると、ガラスとマトリックスの界面に亀裂が形成されますが、非常に多くの亀裂が形成されるため、多くのエネルギーが吸収され、材料が強化されます。同じ原理が金属マトリックス複合材料の作成にも使用されます。

圧力の影響

一般に、材料の脆性強度は圧力によって増加する可能性があります。これは、例として、地殻の約10 km(6.2マイル)の深さの脆性-延性遷移ゾーンで発生します。このゾーンでは、岩石が破壊されにくく、延性的に変形する可能性が高くなります(rheidを参照)。

亀裂の成長

超音速破壊は、脆性材料の音速よりも速い亀裂運動です。この現象は、最初に発見された[要出典]からの科学者によって金属の研究のためのマックスプランク研究所でシュトゥットガルト(マルクスJ.ビューラーとハアジアン・ガオ)とIBMアルマデン研究センターでは、サンノゼ、カリフォルニア州(ファリドF.アブラハム)。

「変形」と題された脆性図(ロシア語:деформация)。

も参照してください

  • アイゾット衝撃強度試験
  • シャルピー衝撃試験
  • フラクトグラフィ
  • 法医学工学
  • 延性
  • 材料の強化メカニズム
  • 靭性

参考文献

  1. ^ Callister Jr.、William D。; Rethwisch、David G.(2015)。材料科学と工学の基礎(5版)。ワイリー。ISBN 978-1-119-17548-3
  • ルイス、ピーター・リス; レイノルズ、K; Gagg、C(2004)。法医学材料工学:ケーススタディ。CRCプレス。ISBN 978-0-8493-1182-6
  • ロスラー、ヨアヒム; ハーダーズ、ハラルド; ベーカー、マーチン(2007)。エンジニアリング材料の機械的挙動:金属、セラミック、ポリマー、および複合材料。スプリンガー。ISBN 978-3-642-09252-7
  • カリスター、ウィリアムD。; Rethwisch、David G.(2015)。材料科学と工学の基礎。ワイリー。ISBN 978-1-119-17548-3