Imaginez laisser tomber votre tasse de café préférée sur le sol de la cuisine - elle se brise en morceaux pointus. Imaginez maintenant un écran de smartphone sur les webbing après une chute, ou une fissuration du mur de béton non renforcé pendant un tremblement de terre. Ces exemples quotidiens mettent en évidence Brittleness, une propriété matérielle qui peut entraîner une rupture soudaine sans avertissement. Brittleness est important pour la sécurité et la fiabilité: un composant fragile dans un bâtiment, un pont ou un produit peut échouer catastrophiquement s'il n'est pas pris en compte. L'histoire offre des rappels brusques - le plus célèbre le RMS Titanic, dont l'acier est devenu fragile dans les eaux glaciales de l'Atlantique et a craqué l'impact plutôt que de se pencher, contribuant à la catastrophe. Les ingénieurs et les concepteurs prêtent une attention particulière à la fragilité car, contrairement aux matériaux ductibles qui se penchent ou s'étirent, les cassants ont tendance à se casser sous le stress.
Cet article explore ce qu'est la fragilité et comment elle diffère de la dureté et de la ténacité. Il explique également pourquoi les matériaux comme le verre ou la fonte sont cassants et comment nous testons et atténuons la fragilité dans la conception d'ingénierie.
Qu'est-ce que Brittleness?
Brittleness in Materials Science fait référence à la tendance d'un matériau à se fracturer avec peu ou pas de déformation plastique au préalable. En termes simples, un matériau fragile ne se plie pas ou ne s'étire pas beaucoup - il se casse. Si vous essayez de plier un objet fragile, il se fissurera ou se cassera presque immédiatement plutôt que de subir une déformation plastique. C'est l'opposé deductilité, la capacité d'un matériau à maintenir une déformation plastique importante (par exemple, être entraîné dans du fil ou du pliage) avant d'échouer. Les métaux hautement ductiles (comme le cuivre ou l'or) peuvent être pliés, étirés ou considérablement rédigés, tandis que les matériaux fragiles (comme le verre ou la céramique) se fracturent après seulement une petite déformation élastique.
Brittleness vs ductilité, ténacité et dureté
La comparaison de la fragilité et de la ductilité se résume à combien un matériau peut se déformer plastiquement avant la fracture. Un matériau fragile a une ductilité très faible et atteint son point de rupture à une petite tension; Un ductile peut maintenir une déformation plastique importante. Dans les métaux, une règle de base commune est que l'allongement à la rupture ≲ ≲ ~ 5% est souvent appeléfragile, tandis que ≳ ≳ ~ 5% est considéréductile(Dépendant du matériau et du test; la céramique et le verre sont généralement bien en dessous de 1%). Pratiquement, les matériaux fragiles donnent peu d'avertissement - ils ne se penchent pas visiblement ni ne se glissent visiblement avant de claquer. Sur uncourbe contrainte-déformation, les matériaux ductils montrent un rendement et une longue région en plastique, tandis que les matériaux cassants sont presque linéaires-élastiques jusqu'à une fracture brutale avec une plasticité minimale.
DuretéDécrit l'énergie qu'un matériau absorbe avant la fracturation (pensez: la zone sous une courbe contrainte-déformation). Il augmente généralement lorsqu'un matériau combine une résistance élevée et une bonne ductilité; Ce n'est pas le strict «opposé» de la fragilité. Un pneu en caoutchouc est difficile car il se déforme et absorbe l'impact; Le verre recuit est cassant car il ne peut pas se déformer en plastique, donc un coup pointu peut le faire se fissurer.
Duretéest un concept différent - c'est une résistance aux rayures et à une indentation localisée. Un matériau peut être extrêmement dur mais cassant. Le diamant, par exemple, résiste aux grattements mais, manquant de plasticité, peut cotiser ou se cliver sous un coup pointu. Inversement, quelque chose de relativement doux (comme le caoutchouc) peut résister à la fissuration de l'impact car il peut se déformer. En bref, la dureté concerne la résistance à la déformation localisée, tandis que la fragilité décrit le comportement de fracture.
Exemples de matériaux fragiles et comment ils échouent
De nombreux matériaux quotidiens et industriels présentent un comportement cassant. Voici quelques exemples et comment ils échouent sous le stress:
Verre:Le verre ordinaire (comme un verre de fenêtre ou un verre à boire) est un matériau cassant classique. Il est très dur et fort en compression, mais sous contrainte de traction ou impact, il ne peut pas se déformer plastiquement. Déposez un verre sur un sol dur et il se fracture généralement en gros éclats vifs. La défaillance est de la propagation de la fissure: une fois qu'un petit faille ou un point d'impact initie une fissure, il se déroule à travers le verre sans presque aucune déformation plastique. Cette fragilité vient de sa structure: le réseau de silice est rigide et amorphe, et contrairement aux métaux, il n'y a pas de dislocations mobiles pour soulager le stress. Fait intéressant, les traitements spéciaux peuvent changer la façon dont le verre se casse - par exemple, le verre trempé, produit par le traitement thermique pour introduire des contraintes de compression de surface, est toujours fragile, mais a tendance à se diviser en petites pièces de dice émoussées (d'où le «verre de sécurité»). Le verre laminé, utilisé dans les pare-brise, lie deux plis en verre à un intercouche en plastique (généralement PVB), donc lorsque les fissures se forment, l'intermédiaire maintient les pièces ensemble. Ces traitements atténuent le mode de défaillance, mais fondamentalement, le verre échoue en craquant, et non en pliant.
Céramique:La céramique est également fragile. Frappez un vase en céramique d'une étagère et il se brisera ou se brisera plutôt que de bosser. Structurellement, les céramiques sont liées de manière ioniquement et / ou covalente et sont souvent polycristallines (la porcelaine contient également une phase vitreuse). Dans une plaque de porcelaine, par exemple, le réseau atomique est rigide; Lorsqu'ils sont stressés, les plans atomiques ne peuvent pas facilement glisser. Dans les solides ioniques, un petit changement apporte des ions chargés côte à côte, ils se repoussent fortement et une fissure initie. Parce que le mouvement de dislocation est limité et que les liaisons sont directionnelles, les céramiques ont une dureté élevée et une résistance à la compression mais ont tendance à se casser sous tension ou flexion. Lorsqu'ils échouent, les surfaces de fracture sont généralement propres et à facettes le long des plans cristallins (clivage). Une tuile en céramique chargée au-delà de sa capacité développe des fissures qui se propagent à travers le corps et se brisent avec une fracture propre et en verre, avec pratiquement aucun rendement visible.
Fonte (en particulier en fonte grise):La fonte est un métal, mais certaines notes sont notoirement fragiles. Si vous avez déjà vu un vieux bloc moteur en fonte ou une fissure en plongeur en fonte, vous avez été témoin de fracture fragile. La fonte grise (du nom de la couleur grise de sa surface de fracture) a une teneur en carbone relativement élevée; Le carbone forme des flocons de graphite distribués dans toute la matrice de fer. Ces flocons se comportent comme des fissures internes et de forts concentrateurs de stress, de sorte que le métal ne peut pas étirer beaucoup avant qu'il ne se casse. En conséquence, la fonte est très forte en compression (lorsqu'elle est également soutenue) mais peut échouer soudainement en tension ou en impact. En revanche, le fer ductile (nodulaire) est une fonte modifiée dans laquelle le graphite est induit pour former des nodules sphériques (généralement via le traitement en magnésium); Il est beaucoup moins fragile et se déformera sous un impact plutôt que de se briser. Nous en discuterons plus loin dans la section design.
Béton:Le béton peut sembler solide et semblable à la roche (et il l'est), mais c'est un autre exemple de matériau cassant. Sous compression, le béton est très fort et peut transporter de très grandes charges. Cependant, sous tension (tirage ou flexion), le béton ordinaire se fissure facilement. Le mélange de pâte de ciment et d'agrégats minéraux durs forme une matrice rigide avec une capacité très limitée à s'écouler plastiquement, si de petites souches de traction ouvrent des microfissures qui se fusionnent rapidement. C’est pourquoi le béton armé est si courant: les barres d'armature en acier sont intégrées pour transporter des tensions et ajouter de la ductilité (et de la ténacité). L'acier peut céder et s'étirer, maintenir la section ensemble et fournir des avertissements - les cracks se forment et s'élargissent progressivement - plutôt qu'un effondrement soudain cassant.
Autres matériaux fragiles:Il existe de nombreux autres exemples. Les aciers à outils élevés en carbone ou très durcis peuvent être cassants s'ils ne sont pas tempérés. Un fichier ou une lame de couteau très dure peut casser lorsqu'il est plié car un carbone et une dureté plus élevés réduisent la ductilité. Le graphite, comme dans le crayon «plomb», est cassant: sa structure en couches permet aux plans de glisser pour laisser une marque, mais le bâton se brise facilement sous une force modeste. Certains polymères sont aussi cassants. Le polystyrène (le plastique rigide utilisé dans les couverts jetables et les anciens cas de CD) a tendance à casser plutôt que de se plier.
Pourquoi certains matériaux sont-ils fragiles?
Pour comprendre la fragilité, il aide à regarder ce qui se passe à l'intérieur d'un matériau aux échelles micro et atomiques. Les matériaux diffèrent dans leurs liaisons atomiques et microstructures, et ces différences déterminent comment elles réagissent au stress.
Dans les métaux cristallins, la liaison métallique délocalisée et les dislocations mobiles permettent normalement le débit plastique. Lorsque le glissement est facile, les redistributions de contrainte et les pointes de fissure sont émoussées. Lorsque la liaison est hautement directionnelle ou que le cristal offre quelques systèmes de glissement opérables, la plasticité est limitée; Le stress se concentre jusqu'à ce qu'une fissure nucléés et se propage.
La microstructure décide alors de la croissance de cette fissure. Les inclusions nettes, les deuxième phases dures, les pores ou les interfaces faibles agissent comme des sites de lancement et des voies de fissures. La température et la vitesse de contrainte sont également importantes: des températures plus basses ou des taux de déformation plus élevés réduisent la plasticité, poussant le comportement vers une fracture fragile. L'environnement peut faire basculer l'équilibre - l'hydrogène atomique accélère la fissuration, tandis que la dégradation des limites des grains (par exemple, la corrosion intergranulaire ou la ségrégation de l'impureté) réduit la cohésion le long des limites.
En termes simples, la fragilité émerge lorsque l'hébergement en plastique est rare et que les forces de conduite de fissure dominent. Si un matériau ne peut pas déplacer les dislocations librement ou dissiper l'énergie à la pointe de la fissure, l'échec est soudain et donne peu d'avertissement.
Comment mesurer ou tester la fragilité?
Étant donné que Brittleness concerne le comportement d'un matériau sous le stress (fracturation avec peu de déformation), il n'y a pas un seul «numéro de brillance» que vous pouvez rechercher comme une densité ou un point de fusion; Au lieu de cela, les ingénieurs le caractérisent indirectement en utilisant des tests de ductilité, de la ténacité à la rupture et de l'énergie d'impact.
L'un des moyens standard pour évaluer le comportement fragile est un test de traction. Un échantillon d'os de chien est tiré pendant que la contrainte et la tension sont enregistrées pour générer une courbe contrainte-déformation. Une réponse fragile est un chemin élastique presque linéaire à une fracture soudaine, avec peu ou pas de région de rendement. Deux indicateurs rapides - une allongation à la rupture et la réduction de la zone - sont des mesures de ductilité (et indiquent inversement la fragilité). Un matériau cassant montrera un allongement faible et une réduction minimale de la superficie (peu ou pas de rétrécissement). Pour les métaux, la configuration des tests et les rapports suivent ASTM E8.
Dans un test d'impact à chary en V en V, une barre entaillée est frappée par un pendule qui oscille et la perte d'énergie du pendule (du changement de hauteur de balançoire) est enregistrée comme l'énergie absorbée dans les joules (J). Une faible énergie absorbée indique une réponse fragile; Une énergie élevée indique la ténacité. Parce que le résultat dépend de la taille des échantillons et de la géométrie des encoches, l'énergie du chary est mieux utilisée pour les comparaisons et les études de température, et non comme une constante de matériau fondamentale. L'exécution du test à plusieurs températures correspond à la transition ductile à brittle. Les ingénieurs lisent également la surface de fracture: les caractéristiques lumineuses et à facettes / clivage suggèrent une fracture fragile, tandis qu'un aspect terne et fibreux indique une rupture ductile.
Une autre mesure clé est la ténacité à la fracture de la contrainte plane (kIC), un paramètre de mécanique de fracture qui quantifie la résistance d'un matériau à la croissance des fissures. Il est déterminé à partir des tests de précision sur des échantillons pré-fissurés et représente le facteur critique d'intensité de contrainte à laquelle une fissure commence à s'étendre. Les matériaux cassants ont un k basICet donc une mauvaise tolérance aux défauts - les fissures que les étoiles peuvent provoquer une défaillance à une contrainte relativement faible, tandis que les matériaux ductiles difficiles ont un k élevéICet peut émousser ou arrêter les fissures. Les ingénieurs utilisent des données de rupture de fracture pour définir des tailles de défaut admissibles et une conception contre une fracture soudaine en service.
Comment éviter une défaillance fragile dans votre conception
Parce que Brittleness peut conduire à des échecs brusques et catastrophiques, les ingénieurs ont développé des stratégies pour y faire face - soit en sélectionnant différents matériaux, soit en modifiant les matériaux et les conceptions pour rendre le comportement fragile moins dangereux.
Sélection et traitement des matériaux
Le moyen le plus simple d'éviter les défaillances fragiles est de choisir un matériau plus ductile pour les pièces de tension, de flexion ou d'impact. Les concepteurs de structures favorisent souvent des aciers ou des alliages en aluminium qui céderont et se penchent avant de se casser. Lorsque des propriétés telles que la dureté élevée, les capacités à haute température ou le comportement électrique spécifique sont nécessaires - pointant des options intrinsèquement fragiles (par exemple, céramique technique, verre d'affichage) - les ingénieurs améliorent la ténacité par le traitement. Dans les aciers, les microstructures à haute teneur en carbone couchées sont très dures mais cassantes; Tempérer un peu de dureté pour un grand gain de ténacité. La fonte offre un autre cas: le fer gris est fragile en raison du graphite en flocons; L'ajout de petites quantités de Mg ou CE produit du fer ductile (nodulaire) avec du graphite sphéroïdal, réduisant les concentrations de contraintes et améliorant considérablement la ductilité et la résistance à l'impact.
Matériaux composites
La combinaison d'une matrice fragile avec une phase plus ductile augmente la ténacité. Les paires de béton armé en béton (cassantes) avec des barres d'armature en acier (ductile) afin que la section puisse transporter la tension et éviter un effondrement soudain. De même, les polymères renforcés par fibre et les composites de la matrice céramique incorporent des fibres de verre, de carbone ou d'aramide qui pont les fissures, dévient les chemins et se retirent, augmentant l'énergie requise pour la croissance des fissures (ténacité à fracture plus élevée).
Concevoir la géométrie et les facteurs de sécurité
Réduire les concentrateurs de stress en évitant les coins et les encoches nets; Utilisez des filets généreux. Ajouter l'épaisseur ou les côtes où les charges sont les plus élevées - une feuille de verre mince se brise beaucoup plus facilement qu'une vignette épaisse. Pour la céramique et le verre, induire la compression de surface (par exemple, la trempe) stimule la ténacité apparente en nécessitant une contrainte de traction plus élevée pour démarrer une fissure. Parce que les pièces fragiles donnent peu d'avertissement, les concepteurs utilisent également des facteurs de sécurité plus élevés et planifient des inspections régulières; Dans l'aérospatiale, par exemple, les composants qui peuvent se comporter de manière fragile sont vérifiés avec des rayons X ou des échographies pour les fissures internes.
Contrôle de l'environnement
La température et l'environnement changent comment les matériaux se déforment et se fracturent. Si un alliage devient fragile à basse température, définissez une température de service minimale ou sélectionnez une note avec une température de transition ductile à brittle plus bas pour les climats froids. De même, si le ramassage d'hydrogène est un risque (embrittlement de l'hydrogène dans les aciers à haute résistance), utilisez des revêtements préventifs et des processus qui minimisent la charge et effectuent une cuisson (dé-embrits thermique) pour chasser l'hydrogène absorbé.
Échec et redondance
Dans les applications critiques, supposer que les fissures peuvent former et concevoir des chemins de charge redondants et des fonctionnalités de sécurité. Les pare-brise laminés utilisent un intermédiaire en plastique (par exemple, PVB) de sorte que si le verre se fissure, les fragments restent collés au lieu de devenir des éclats dangereux. Les récipients sous pression et les pipelines peuvent incorporer des arrestateurs de fissures ou des constructions en couches / segmentées, de sorte qu'une fissure rapide perd la force de conduite et les arrêts. L'objectif est simple: empêcher une seule fissure fragile de cascade en une défaillance catastrophique.
Conclusion
Nous avons vu que la fragilité est essentiellement un manque de ductilité et de ténacité: des matériaux comme le verre, la céramique, le béton et la fonte peuvent porter des charges jusqu'à un point, puis échouer brusquement. Les ingénieurs et les scientifiques continuent d'augmenter les seuils pour une défaillance fragile - développer des alliages et des composites plus durs, améliorant la ductilité par le traitement et la conception de structures qui résistent à une défaillance unique.
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FAQ
Brittleness est-il une propriété physique?
Oui. Brittleness est une propriété mécanique (un sous-ensemble de propriétés physiques): il décrit la tendance d'un matériau à se fracturer avec peu de déformation plastique sous stress. Ce n'est pas un seul numéro intrinsèque; Son expression dépend de la température, du taux de déformation, de la microstructure et des défauts, et il est évalué indirectement (par exemple, l'allongement à la rupture, l'énergie d'impact, la ténacité à la fracture).
Quelle est la différence entre «fragile» et «fragile»?
Fragile est un adjectif général au niveau de l'objet: quelque chose est facilement endommagé ou cassé en manipulation ou en service, souvent parce qu'il est mince, mal soutenu ou dégradé. Le pantalon est un terme de matériaux: une fracture de matériau avec peu de déformation plastique (faible ductilité / ténacité faible), généralement par une croissance rapide des fissures; C'est indépendant de la dureté et de la raideur.
