Stellen Sie sich vor, Sie fallen Ihre Lieblingskaffeetasse auf den Küchenboden - sie zerschmettert in scharfe Stücke. Stellen Sie sich nun einen Smartphone -Bildschirm Spiderwebbing nach einem Sturz oder ein nicht verstärktes Beton -Wand -Knacken während eines Erdbebens vor. Diese alltäglichen Beispiele unterstreichen Brödelheit, ein materielles Eigentum, das zu einem plötzlichen Bruch ohne Vorwarnung führen kann. Brechtigkeit ist für Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bedeutung: Eine spröde Komponente in einem Gebäude, einer Brücke oder einem Produkt kann katastrophal scheitern, wenn sie nicht berücksichtigt wird. Die Geschichte bietet starke Erinnerungen - am berühmtesten die RMS -Titanic, deren Stahl in kaliden Atlantikgewässern spröde und eher auf den Aufprall als auf Biegen geknüpft wurde, was zur Katastrophe beiträgt. Ingenieure und Designer achten genau auf die Sprödigkeit, da im Gegensatz zu duktilen Materialien, die sich biegen oder dehnen, spröde dazu neigen, unter Stress zu schnappen.
In diesem Beitrag untersucht, was die Bröpferin ist und wie er sich von Härte und Zähigkeit unterscheidet. Es erklärt auch, warum Materialien wie Glas oder Gusseisen spröde sind und wie wir die Bröckel im technischen Design testen und mindern.
Was ist Sprödigkeit?
Die Brechtigkeit in der Materialwissenschaft bezieht sich auf die Tendenz eines Materials, vorher mit wenig oder keiner plastischen Verformung zu brechen. Einfach ausgedrückt, ein spröde Material biegt nicht viel oder dehnt sich nicht viel - es bricht. Wenn Sie versuchen, ein spröde Objekt zu biegen, knackt oder schnappt es fast sofort, anstatt plastische Verformungen zu unterziehen. Dies ist das Gegenteil vonDuktilität, Die Fähigkeit eines Materials, eine signifikante plastische Verformung (z. Hoch duktile Metalle (wie Kupfer oder Gold) können verbogen, gedehnt oder erheblich herausgezogen werden, während nach nur einer kleinen elastischen Belastung spröde Materialien (wie Glas oder Keramik) Fraktur brütet.
Brödlichkeit gegen Duktilität, Zähigkeit und Härte
Der Vergleich von Brödeln und Duktilität hängt davon ab, wie viel ein Material vor der Fraktur plastisch verformen kann. Ein spröde Material hat eine sehr geringe Duktilität und erreicht seinen Bruchpunkt bei kleiner Belastung. Ein duktiles, man kann eine signifikante plastische Verformung aufrechterhalten. In Metallen ist eine häufige Faustregel lautspröde, während ≳ ~ 5% berücksichtigt wirdduktil(Material- und Testabhängige; Keramik und Glas liegen typischerweise weit unter 1%). Praktisch wiehen spröde Materialien wenig Warnung - sie biegen sich vor dem Schnappen nicht sichtlich oder den Hals. Auf aStress -Strain -Kurve, duktile Materialien zeigen nachgeben und einen langen plastischen Bereich, während spröde Materialien bis zu einer abrupten Fraktur mit minimaler Plastizität fast linearelastisch sind.
Zähigkeitbeschreibt die Energie, die ein Material vor dem Fraktieren absorbiert (denken Sie: den Bereich unter einer Spannungs -Dehnungs -Kurve). Es nimmt normalerweise zu, wenn ein Material hohe Festigkeit und gute Duktilität kombiniert. Es ist nicht das strenge „Gegenteil“ der Sprödigkeit. Ein Gummireifen ist schwierig, weil er den Einfluss verformt und aufnimmt. Geglühtes Glas ist spröde, weil es nicht plastisch verformen kann, sodass ein scharfer Schlag es knacken kann.
Härteist ein anderes Konzept - es ist Widerstand gegen Kratzer und lokalisierte Eindrücke. Ein Material kann extrem hart und doch spröde sein. Diamond zum Beispiel widersetzt sich gegen das Kratzen, kann aber, ohne Plastizität, unter einem scharfen Schlag abschneiden oder spalten. Umgekehrt kann etwas relativ Weiches (wie Gummi) das Riss gegen den Aufprall widerstehen, da es sich verformen kann. Kurz gesagt, die Härte betrifft den Widerstand gegen lokalisierte Deformation, während die Sprödigkeit das Frakturverhalten beschreibt.
Beispiele für spröde Materialien und wie sie scheitern
Viele alltägliche und industrielle Materialien zeigen spröde Verhalten. Hier sind einige Beispiele und wie sie unter Stress scheitern:
Glas:Gewöhnliches Glas (wie Fensterglas oder Trinkglas) ist ein klassisches, spröde Material. Es ist sehr hart und stark in Kompression, aber unter Zugspannung oder Auswirkungen kann es nicht plastisch deformieren. Lassen Sie ein Glas auf einen harten Boden fallen und es typisch in großen, scharfen Scherben. Der Versagen erfolgt durch Crack -Ausbreitung: Sobald ein winziger Fehler oder ein Aufprallpunkt einen Riss initiiert, rast er durch das Glas fast ohne plastische Verformung. Diese Sprödigkeit stammt aus seiner Struktur: Das Silica -Netzwerk ist starr und amorph, und im Gegensatz zu Metallen gibt es keine mobilen Versetzungen, um Stress zu lindern. Interessanterweise können spezielle Behandlungen die Art und Weise verändern, wie Glasbrichtungen-zum Beispiel getempertes Glas, das durch Hitzeverletzung erzeugt wird, um Oberflächendruckspannungen einzuführen, immer noch spröde ist, neigt jedoch dazu, in kleine, stumpfen Würfel wie „Sicherheitsglas“) zu brechen. Laminiertes Glas, das in Windschutzscheiben verwendet wird, verbindet zwei Glaslagen an eine Plastik -Zwischenschicht (normalerweise PVB). Wenn Risse also die Zwischenschicht bilden, hält die Teile zusammen. Diese Behandlungen mildern den Ausfallmodus, aber grundlegend scheitert Glas durch Knacken und nicht durch Biegen.
Keramik:Keramik sind ähnlich spröde. Klopfen Sie eine Keramikvase aus einem Regal und es wird eher zerkleinern oder zerschmettert als abblättern. Strukturell sind Keramik ionisch und/oder kovalent gebunden und häufig polykristallin (Porzellan enthält auch eine glasige Phase). In einer Porzellanplatte beispielsweise ist das Atomgitter starr; Wenn Atomebenen gestresst sind, können die Flugzeuge nicht leicht rutschen. Bei ionischen Feststoffen bringt eine kleine Verschiebung gleichzeitig aufgeladene Ionen an Seite, sie wehren stark ab und ein Riss initiiert. Da die Versetzungsbewegung begrenzt ist und die Bindungen richtungsfähig sind, haben die Keramik eine hohe Härte und Druckfestigkeit, neigen jedoch dazu, unter Spannung oder Biegung zu schnappen. Wenn sie versagen, werden die Bruchflächen in der Regel entlang von Kristallebenen (Spaltung) sauber und facettiert. Eine keramische Fliese, die über seine Kapazität hinauslädt, entwickelt Risse, die sich durch den Körper ausbreiten und mit einer sauberen, glasähnlichen Fraktur bricht, wobei praktisch keine sichtbare Ermittlung ist.
Gusseisen (besonders graues Gusseisen):Gusseisen ist ein Metall, aber bestimmte Noten sind notorisch spröde. Wenn Sie jemals einen alten Gusseisenblock oder einen gusseisernen Pfeifenriss gesehen haben, haben Sie eine spröde Fraktur gesehen. Graues Gusseisen (benannt nach der grauen Farbe seiner Bruchfläche) hat einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt; Der Kohlenstoff bildet Graphitflocken, die über die Eisenmatrix verteilt sind. Diese Flocken verhalten sich wie innere Risse und starke Stresskonzentratoren, sodass das Metall nicht viel dehnen kann, bevor es bricht. Infolgedessen ist Gusseisen in der Kompression sehr stark (wenn sie gleichmäßig unterstützt wird), kann aber plötzlich in Spannung oder unter Aufprall versagen. Im Gegensatz dazu ist duktiles (knotiges) Eisen ein modifiziertes Gusseisen, in dem der Graphit induziert wird, um kugelförmige Knötchen zu bilden (typischerweise über Magnesiumbehandlung); Es ist viel weniger spröde und wird unter Aufprall und eher zu zerstören. Wir werden dies im Abschnitt "Design" weiter diskutieren.
Beton:Beton mag solide und steinartig erscheinen (und das ist es), aber es ist ein weiteres Beispiel für ein spröde Material. Bei Kompression ist Beton sehr stark und kann sehr große Lasten tragen. Unter Spannung (Ziehen oder Biegen) rissen einfache Betonrisse jedoch leicht. Die Mischung aus Zementpaste und hartem Mineralaggregat bildet eine starre Matrix mit sehr begrenzter Fähigkeit, plastisch zu fließen, so dass kleine Zugstämme Mikrorisse, die sich schnell verschmelzen. Aus diesem Grund ist Stahlbeton so häufig: Stahlbewusstsein ist eingebettet, um Spannungen zu tragen und Duktilität (und Zähigkeit) hinzuzufügen. Der Stahl kann nachgeben und sich strecken, den Abschnitt zusammenhalten und Warnungen bilden - Cracks bilden sich allmählich und breiten sich allmählich aus - als ein plötzlicher spröder Zusammenbruch.
Andere spröde Materialien:Es gibt viele andere Beispiele. Mit hohem Kohlenstoff- oder hochverhärtetes Werkzeugstähler können spröde sein, wenn sie nicht gemildert werden. Eine Datei oder eine sehr harte Messerklinge kann beim Bogen knacken, weil höherer Kohlenstoff und Härte die Duktilität verringern. Graphit ist wie im Bleistift „Blei“ spröde: Mit seiner geschichteten Struktur können Flugzeuge eine Markierung hinterlassen, doch der Stick bricht leicht unter bescheidener Kraft. Einige Polymere sind auch spröde. Polystyrol (der starre Kunststoff, der in Einwegbesteck und alten CD -Fällen verwendet wird) neigt eher dazu, zu schnappen als zu biegen.
Warum sind einige Materialien spröde?
Um die Bröckchen zu verstehen, hilft es zu sehen, was in einem Material auf der Mikro- und Atomwaage passiert. Die Materialien unterscheiden sich in ihren Atombindungen und Mikrostrukturen, und diese Unterschiede bestimmen, wie sie auf Stress reagieren.
In kristallinen Metallen ermöglichen delokalisierte metallische Bindung und mobile Versetzungen normalerweise den plastischen Fluss. Wenn Slip einfach ist, werden Spannung umverteilt und Rissspitzen stumpf. Wenn die Bindung stark richtungsfähig ist oder der Kristall nur wenige operative Schlupfsysteme bietet, ist die Plastizität eingeschränkt. Spannung konzentriert sich, bis sich ein Riss keimt und sich ausbreitet.
Die Mikrostruktur entscheidet dann, wie dieser Riss wächst. Scharfe Einschlüsse, harte zweite Phasen, Poren oder schwache Schnittstellen wirken als Startstellen und Wege für Risse. Temperatur- und Dehnungsrate auch Materie: Niedrigere Temperaturen oder höhere Dehnungsraten kürzen die Plastizität und drücken das Verhalten in Richtung eines spröden Fraktur. Die Umgebung kann das Gleichgewicht kippen-das Wasserstoff beschleunigt das Knacken, während der Korngradabbau (z. B. intergranuläre Korrosion oder Verunreinigungssegregation) den Kohäsion entlang der Grenzen verringert.
Einfach ausgedrückt, die Sprödigkeit entsteht, wenn Plastikunterkünfte knapp und knackende Kräfte dominieren. Wenn ein Material keine Versetzungen frei bewegen oder an der Rissspitze Energie löste, ist das Versagen plötzlich und macht wenig Warnung.
Wie misst oder testet ich die Brödeln?
Da es sich bei Bröckigkeit um das Verhalten eines Materials unter Stress handelt (mit wenig Verformung), gibt es keine einzige „Sprödigkeitszahl“, die Sie wie Dichte oder Schmelzpunkt nachsehen können. Stattdessen charakterisieren die Ingenieure es indirekt, indem sie Tests mit Duktilität, Frakturzähigkeit und Wirkungsenergie verwenden.
Eine der Standardmethoden, um ein spröde Verhalten zu messen, ist ein Zugtest. Eine Hunde-Knochen-Exemplar wird gezogen, während Spannung und Dehnung aufgezeichnet werden, um eine Spannungs-Strain-Kurve zu erzeugen. Eine spröde Reaktion ist ein fast linearer, elastischer Weg zur plötzlichen Fraktur mit wenig oder gar keinem Ertragsbereich. Zwei schnelle Indikatoren - Elongation bei Bruch und Verringerung des Flächens - sind Duktilitätsmaßnahmen (und umgekehrt auf die Brechlichkeit hinweisen). Ein spröde Material zeigt eine geringe Dehnung und eine minimale Verringerung der Fläche (wenig oder gar kein Neckern). Für Metalle folgen die Testeinrichtung und die Berichterstattung ASTM E8.
In einem Charpy V-Notch-Impact-Test wird eine gekerbte Stange von einem schwingenden Pendel getroffen, und der Verlust der Pendelenergie (aus der Änderung der Schwunghöhe) wird als absorbierte Energie in Joule (J) aufgezeichnet. Niedrig absorbierte Energie zeigt eine spröde Reaktion an; Hohe Energie weist auf Zähigkeit hin. Da das Ergebnis von der Exemplargröße und der Notch -Geometrie abhängt, wird Charpy -Energie am besten für Vergleiche und Temperaturstudien verwendet, nicht als grundlegende Materialkonstante. Durch das Durchführen des Tests bei mehreren Temperaturen sind der Duktil-zu-Brittle-Übergang geprägt. Die Ingenieure lesen auch die Bruchfläche: Hellige, facettierte/Spaltungsmerkmale deuten auf eine spröde Fraktur hin, während ein stumpfes, faseriges Erscheinungsbild auf eine duktile Pause hinweist.
Eine weitere wichtige Maßnahme ist die Zähigkeit der Flugzeug-Dehnungsfraktur (K. K.IC), ein Parameter der Fraktur-Mechanik, der den Widerstand eines Materials gegen Crack-Wachstum quantifiziert. Es wird aus Präzisionstests an vorgesperrten Proben bestimmt und stellt den kritischen Spannungsintensitätsfaktor dar, bei dem sich ein Riss zu erweitern beginnt. Spröde Materialien haben niedrige kICund damit eine schlechte Mängeltoleranz - schlechte Risse können ein Versagen bei relativ geringem Stress verursachen, während harte, duktile Materialien hohe K aufweisenICund kann Risse stumpfen oder verhaften. Ingenieure verwenden Bruchdaten, um die zulässigen Defektgrößen und das Design gegen plötzliche Bruch in Betrieb zu setzen.
So verhindern Sie spröde Misserfolge in Ihrem Design
Da die Bröder zu plötzlichen katastrophalen Fehlern führen kann, haben Ingenieure Strategien entwickelt, um damit umzugehen - entweder durch Auswahl verschiedener Materialien oder durch Änderung von Materialien und Designs, um spröde Verhalten weniger gefährlich zu machen.
Materialauswahl und Behandlung
Der einfachste Weg, um spröde Fehler zu vermeiden, besteht darin, ein duktileres Material für Teile in Spannung, Biegung oder Auswirkungen zu wählen. Strukturdesigner bevorzugen oft Stähle oder Aluminiumlegierungen, die vor dem Aufbrechen kommen und sich biegen. Wenn Eigenschaften wie hohe Härte, Hochtemperaturfunktionen oder spezifisches elektrisches Verhalten erforderlich sind-die von Natur aus spröde Optionen (z. B. technische Keramik, Displayglas)-Ingurateers verbessern die Zähigkeit durch Verarbeitung. In Stählen sind die markonischen Mikrostrukturen sehr hart, aber spröde; Das Temperieren handelt ein wenig Härte für einen großen Gewinn der Zähigkeit. Gusseisen bietet einen anderen Fall: Graues Eisen ist aufgrund von Flockengrafiten spröde; Durch die Zugabe kleiner Mengen an Mg oder CE werden duktile (knode) Eisen mit sphäroidalem Graphit erzeugt, die Spannungskonzentrationen reduziert und die Duktilität und die Aufprallfestigkeit deutlich verbessern.
Verbundwerkstoffe
Die Kombination einer spröden Matrix mit einer duktileren Phase erhöht die Zähigkeit. Stahlbetonpaare Beton (spröde) mit Stahlbewusstsein (duktil), sodass der Abschnitt Spannung tragen und plötzlichen Zusammenbruch vermeiden kann. Ebenso verleihen faserverstärkte Polymere und Keramikmatrixverbundwerkstoffe Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern, die Risse überbrücken, Wege ablenken und herausziehen, wodurch die für das Risswachstum erforderliche Energie (höhere Frakturzähigkeit) erhöht wird.
Entwurfsgeometrie und Sicherheitsfaktoren
Reduzieren Sie die Spannungskonzentratoren, indem Sie scharfe Ecken und Kerben vermeiden. Verwenden Sie großzügige Filets. Fügen Sie Dicke oder Rippen hinzu, bei denen die Lasten am höchsten sind - ein dünnes Glasblatt bricht weitaus leichter als ein dicker Scheibenbereich. Für Keramik und Glas steigert die induzierende Oberflächenkompression (z. B. Temperierung) die scheinbare Zähigkeit, indem sie höhere Zugspannungen benötigt, um einen Riss zu starten. Da spröde Teile wenig Warnung geben, verwenden Designer auch höhere Sicherheitsfaktoren und planen regelmäßige Inspektionen. In der Luft- und Raumfahrt werden beispielsweise Komponenten, die sich auf spröde Weise verhalten können, mit Röntgen oder Ultraschall auf interne Risse überprüft.
Umweltkontrolle
Temperatur und Umgebung verschieben die Verformung und Fraktur. Wenn eine Legierung bei niedrigen Temperaturen spröde wird, stellen Sie eine minimale Servicetemperatur ein oder wählen Sie eine Grade mit einer Übergangstemperatur mit niedrigerer Duktil-zu-Brittle für kalte Klimazonen aus. Wenn Wasserstoffaufnahme ein Risiko ist (Wasserstoffverspräche in hochfesten Stählen), verwenden Sie vorbeugende Beschichtungen und Prozesse, die das Ladung minimieren, und führen Sie einen Bake-out (thermische Entbrittlement) durch, um absorbierte Wasserstoff auszuführen.
Ausfall- und Redundanz
Angenommen, Risse können in kritischen Anwendungen redundante Lastpfade und fehlsichere Funktionen bilden und entwerfen. Laminierte Windschutzscheiben verwenden eine Plastik -Zwischenschicht (z. B. PVB), so dass, wenn die Glasrisse, Fragmente gebunden bleiben, anstatt gefährliche Scherben zu werden. Druckbehälter und Pipelines können Crack-Arrestoren oder geschichtete/segmentierte Konstruktionen enthalten, sodass ein schnell laufender Riss an der Antriebskraft verliert und hält. Das Ziel ist einfach: Verhindern Sie, dass ein einzelner spröder Riss in katastrophales Versagen kaskadiert.
Abschluss
Wir haben gesehen, dass Sprödigkeit im Wesentlichen ein Mangel an Duktilität und Zähigkeit ist: Materialien wie Glas, Keramik, Beton und Gusseisen können Lasten bis zu einem gewissen Punkt tragen und dann abrupt scheitern. Ingenieure und Wissenschaftler erhöhen immer wieder die Schwellenwerte für spröde Misserfolge-Entwicklung härterer Legierungen und Verbundwerkstoffe, Verbesserung der Duktilität durch Verarbeitung und Entwerfen von Strukturen, die ein Einstiegsfehler widerstehen.
Wenn Sie an einem Design arbeiten, das spröde Materialien verwendet, sind Sie am richtigen Ort. Bei Chiggo arbeiten unsere Fertigungsexperten in einer Vielzahl von Materialien und AngebotenCNC -Bearbeitung, 3D -Druck, Injektionsleisten undBlechherstellung. Sie erhalten die hochwertigen Teile, die Sie benötigen-schnell.Laden Sie noch heute Ihr Design hoch!
FAQ
Ist die Sprödigkeit ein physisches Eigentum?
Ja. Die Brechtigkeit ist eine mechanische Eigenschaft (eine Untergruppe physikalischer Eigenschaften): Sie beschreibt die Tendenz eines Materials, unter Stress nur wenig plastische Verformung zu brechen. Es ist keine einzige intrinsische Zahl. Sein Ausdruck hängt von Temperatur, Dehnungsrate, Mikrostruktur und Mängel ab und wird indirekt bewertet (z. B. Dehnung bei Bruch, Auswirkungsenergie, Frakturzähigkeit).
Was ist der Unterschied zwischen "zerbrechlich" und "spröder"?
Fragile ist ein allgemeines Adjektiv auf Objektebene: Etwas ist in Handhabung oder Service leicht beschädigt oder zerbrochen, häufig, weil es dünn, schlecht unterstützt oder verschlechtert ist. Brittle ist ein materieller Begriff: ein materielles Frakturen mit geringer plastischer Deformation (niedrige Duktilität/geringe Zähigkeit), typischerweise durch schnelles Risswachstum; Es ist unabhängig von Härte und Steifheit.
