хрупкость

Материал является хрупким , если под воздействием напряжения он разрушается с незначительной упругой деформацией и без значительной пластической деформации . Хрупкие материалы поглощают относительно мало энергии до разрушения, даже если они имеют высокую прочность . Излом часто сопровождается резким щелкающим звуком.

незначительна или отсутствует вообще пластическая деформация При использовании в [материаловедении] его обычно применяют к материалам, которые выходят из строя, когда перед разрушением . Одним из доказательств является соответствие сломанных половин, которые должны точно совпадать, поскольку пластической деформации не произошло.

Хрупкость различных материалов

Полимеры

Механические характеристики полимеров могут быть чувствительны к изменениям температуры вблизи комнатной температуры. Например, полиметилметакрилат чрезвычайно хрупок при температуре 4˚C. ^[1] но с повышением температуры наблюдается повышенная пластичность.

Аморфные полимеры – это полимеры, которые могут вести себя по-разному при разных температурах. Они могут вести себя как стекло при низких температурах (стекловидная область), как эластичное твердое вещество при промежуточных температурах (кожистая или стеклообразная область) и вязкая жидкость при более высоких температурах (резиноподобное течение и область вязкого течения). Такое поведение известно как вязкоупругое поведение . В стеклообразной области аморфный полимер будет жестким и хрупким. С повышением температуры полимер станет менее хрупким.

Металлы

Некоторые металлы обладают хрупкими характеристиками из-за своей системы скольжения . Чем больше систем скольжения имеет металл, тем менее он хрупкий, поскольку пластическая деформация может происходить вдоль многих из этих систем скольжения. И наоборот, при меньшем количестве систем скольжения может возникнуть меньшая пластическая деформация, и металл будет более хрупким. Например, металлы HCP (гексагональные плотноупакованные ) имеют мало активных систем скольжения и обычно хрупкие.

Керамика

Керамика обычно хрупкая из-за трудности движения дислокаций или скольжения. В кристаллической керамике мало систем скольжения, по которым способна перемещаться дислокация, что затрудняет деформацию и делает керамику более хрупкой.

Керамические материалы обычно обладают ионной связью . Из-за электрического заряда ионов и их отталкивания от одноименно заряженных ионов скольжение дополнительно ограничивается.

Изменение хрупких материалов

Материалы можно изменить, чтобы они стали более хрупкими или менее хрупкими.

ужесточение

Когда материал достиг предела своей прочности, он обычно может деформироваться или разрушаться. Естественно ковкий металл можно сделать прочнее, препятствуя механизмам пластической деформации (уменьшая размер зерна , дисперсионное твердение , деформационное упрочнение и т. д.), но если это довести до крайности, более вероятным результатом станет разрушение, и материал может стать более прочным. стать хрупким. Таким образом, повышение прочности материала является балансирующим действием.

Хрупкие по своей природе материалы, такие как стекло , несложно эффективно закалить. Большинство таких методов задействуют один из двух механизмов : отклонение или поглощение кончика распространяющейся трещины или создание тщательно контролируемых остаточных напряжений , чтобы трещины из определенных предсказуемых источников были принудительно закрыты. Первый принцип используется в многослойном стекле , где два листа стекла разделены промежуточным слоем поливинилбутираля . Поливинилбутираль, как вязкоупругий полимер, поглощает растущую трещину. Второй метод используется для закаленного стекла и предварительно напряженного бетона . Демонстрацию закалки стекла обеспечивает компания Prince Rupert's Drop . Хрупкие полимеры можно сделать более прочными, используя металлические частицы, чтобы инициировать трещины при нагрузке на образец, хорошим примером является ударопрочный полистирол или ударопрочный полистирол. Наименее хрупкой конструкционной керамикой являются карбид кремния (в основном из-за его высокой прочности) и упрочненный диоксид циркония .

Другая философия используется в композитных материалах , где хрупкие стеклянные волокна , например, встроены в пластичную матрицу, такую как полиэфирная смола . При напряжении на границе раздела стекло-матрица образуются трещины, но их образуется так много, что поглощается много энергии, и материал тем самым упрочняется. Тот же принцип используется при создании металломатричных композитов .

Эффект давления

Как правило, хрупкая прочность материала может быть увеличена давлением . Это происходит, например, в переходной зоне хрупко-пластично на глубине приблизительно 10 километров (6,2 мили) в земной коре , где вероятность разрушения горных пород становится менее вероятной, а пластичная деформация увеличивается (см. Рейд ).

Рост трещины

Сверхзвуковое разрушение — это движение трещины в хрупком материале со скоростью, превышающей скорость звука. Впервые это явление было обнаружено ^{[ нужна ссылка ]} учеными из Института исследований металлов Макса Планка в Штутгарте ( Маркус Дж. Бюлер и Хуацзянь Гао ) и Исследовательского центра IBM Almaden в Сан-Хосе , Калифорния ( Фарид Ф. Абрахам ).

См. также

Ссылки

^ Каллистер-младший, Уильям Д.; Ретвиш, Дэвид Г. (2015). Основы материаловедения и техники (5-е изд.). Уайли. ISBN 978-1-119-17548-3 .

Льюис, Питер Рис; Рейнольдс, К; Гагг, К. (2004). Судебная материаловедение: практические примеры . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-1182-6 .
Рёслер, Иоахим; Хардерс, Харальд; Бэкер, Мартин (2007). Механическое поведение технических материалов: металлов, керамики, полимеров и композитов . Спрингер. ISBN 978-3-642-09252-7 .
Каллистер, Уильям Д.; Ретвиш, Дэвид Г. (2015). Основы материаловедения и инженерии . Уайли. ISBN 978-1-119-17548-3 .

[1] Каллистер-младший, Уильям Д.; Ретвиш, Дэвид Г. (2015). Основы материаловедения и техники (5-е изд.). Уайли. ISBN 978-1-119-17548-3 .

[1]