材料の脆弱性を理解する

お気に入りのコーヒーマグをキッチンの床に落とすことを想像してみてください。ここで、転倒後にスマートフォンの画面がクモの羽ばたき、または地震中の補強されていないコンクリートの壁がひび割れていることを想像してください。これらの日常の例は、警告なしに突然の破損につながる可能性のある物質的な特性であるBrittlenessを強調しています。安全性と信頼性のために重要な状態：建物、橋、または製品の脆い成分は、説明されていないと壊滅的に失敗する可能性があります。歴史は厳しいリマインダーを提供します。最も有名なRMSタイタニックは、極寒の大西洋の水域で脆くなり、曲げよりも衝撃に割れ、災害に貢献しています。エンジニアとデザイナーは、曲がったり引き伸ばされたりする延性材料とは異なり、脆いものがストレスの下でスナップする傾向があるため、脆性に細心の注意を払っています。

この投稿では、Brittlenessとは何か、それが硬度と靭性とどのように異なるかを探ります。また、ガラスや鋳鉄のような材料が脆弱である理由、およびエンジニアリングデザインでの脆性をテストおよび軽減する方法も説明しています。

brittlenessとは何ですか？

材料科学の脆性は、事前にプラスチックの変形をほとんどまたはまったくない材料の骨折する傾向を指します。簡単に言えば、脆い材料は曲がったり、伸びたりすることはありません。壊れます。もろい物体を曲げようとすると、プラスチックの変形を起こすのではなく、すぐにクラックまたはスナップします。これはその反対です延性、故障する前に、重大なプラスチック変形（たとえば、ワイヤーに引き込まれたり曲がったりする）を維持する材料の能力。非常に延性のある金属（銅や金など）は曲がったり、伸ばしたり、かなり引き出したりすることができますが、脆性材料（ガラスやセラミックなど）が小さな弾性ひずみだけの後に骨折します。

骨格と延性、靭性、硬さ

脆弱性と延性を比較すると、骨折前に粗末に材料がどれだけの材料を変形できるかにかかっています。脆性材料は非常に低い延性を持ち、小さなひずみでそのブレークポイントに達します。延性のあるものは、重大な塑性変形を維持できます。金属では、一般的な経験則は、休憩時の伸長〜5％がしばしば呼ばれることです脆い、一方、〜5％が考慮されます延性（材料およびテスト依存性、セラミックとガラスは通常1％をはるかに下回っています）。実際には、脆い材料はほとんど警告を与えません。彼らはスナップする前に目に見えて曲げたり首を曲げたりしません。にストレス - ひずみ曲線、延性材料は、収量と長いプラスチック領域を示しますが、脆性材料は、最小限の可塑性で突然の骨折までほぼ直線的に弾力性があります。

タフネス破壊前に材料が吸収するエネルギーを説明します（ストレス - ひずみ曲線の下の領域）。通常、材料が高強度と良好な延性を組み合わせると増加します。それは、脆性の厳格な「反対」ではありません。ゴム製のタイヤは、変形して衝撃を吸収するため、困難です。アニールされたガラスは、柔軟に変形できないため脆く、鋭い打撃はそれをひび割れさせることができます。

硬度別の概念です。これは、ひっかき傷や局所的なインデンテーションに対する抵抗です。素材は非常に硬いが脆弱な場合があります。たとえば、ダイヤモンドは引っ掻きに抵抗しますが、可塑性の欠如は、鋭い打撃の下でチップまたは切断することができます。逆に、比較的柔らかいもの（ゴムのような）は、変形する可能性があるため、衝撃に対する亀裂に抵抗する可能性があります。要するに、硬度は局所的な変形に対する耐性に関するものですが、脆性は骨折の挙動を説明しています。

脆性材料の例とそれらがどのように失敗するか

多くの日常的および産業材料は、脆い行動を示しています。ここにいくつかの例があり、それらがストレスの下でどのように失敗するかを示します。

ガラス：普通のガラス（窓ガラスや飲料ガラスなど）は、古典的な脆性素材です。圧縮は非常に硬くて強いですが、引張ストレスや衝撃の下では、柔軟に変形することはできません。硬い床にガラスを落とすと、通常は大きな鋭い破片に骨折します。故障は亀裂の伝播によるものです。小さな欠陥または衝撃点が亀裂を開始すると、プラスチックの変形がほとんどなくガラスを通り抜けます。この脆弱性はその構造に由来します。シリカネットワークは硬くてアモルファスであり、金属とは異なり、ストレスを和らげるモバイル脱臼はありません。興味深いことに、特別な治療法は、ガラスの壊れ（たとえば、表面圧縮応力を導入するために熱処理することによって生成される強化ガラス）を変えることができますが、まだ脆弱ですが、小さくて鈍いダイイスのようなピースに壊れる傾向があります（したがって「安全ガラス」）。フロントガラスで使用されるラミネートガラスは、2つのガラスのプライをプラスチックの中間層（通常はPVB）に結合するため、亀裂が形成されると、層状層がピースを一緒に保持します。これらの処理は故障モードを緩和しますが、根本的にガラスは曲げずに割れて失敗します。

セラミック：セラミックも同様に脆いです。セラミックの花瓶を棚からノックすると、へこみではなくチップまたは粉砕されます。構造的には、セラミックはイオン的および/または共有結合されており、しばしば多結晶です（磁器にもガラスの相が含まれています）。たとえば、磁器プレートでは、原子格子は剛性です。ストレスをかけると、原子面は簡単に滑ることができません。イオン固体では、小さなシフトが同様の充電イオンを並べてもたらし、強く反発し、亀裂が開始されます。転位運動は制限されており、結合は方向性があるため、セラミックは硬度と圧縮強度が高くなりますが、緊張や曲げの下でスナップする傾向があります。それらが故障すると、骨折表面は通常きれいになり、結晶面に沿ってファセットされます（切断）。容量を超えて装填されたセラミックタイルは、体を突破し、清潔でガラスのような骨折で壊れる亀裂が発生し、実質的に目に見える収量はありません。

鋳鉄（特に灰色の鋳鉄）：鋳鉄は金属ですが、特定のグレードは脆いことがあることで有名です。古い鋳鉄製のエンジンブロックや鋳鉄パイプの亀裂を見たことがあるなら、脆性骨折を目撃したことがあります。灰色の鋳鉄（骨折表面の灰色にちなんで名付けられた）は、比較的高い炭素含有量を持っています。炭素は、鉄マトリックス全体に分布するグラファイトフレークを形成します。これらのフレークは内部亀裂と強いストレス濃縮器のように振る舞うので、金属は壊れる前にあまり伸びることはできません。その結果、鋳鉄は圧縮が非常に強い（均等にサポートされている場合）が、緊張や衝撃の下で突然故障する可能性があります。対照的に、延性（結節性）鉄は、グラファイトが誘導され、球状結節を形成する修正鋳鉄です（通常はマグネシウム処理を介して）。それははるかに脆く、粉砕するのではなく衝撃下で変形します。これについては、デザインセクションでさらに説明します。

コンクリート：コンクリートは固体で岩のように見えるかもしれません（そしてそれはそうです）が、それは脆い材料の別の例です。圧縮下では、コンクリートは非常に強く、非常に大きな負荷を運ぶことができます。ただし、緊張（引っ張ったり曲げたりする）では、単純なコンクリート亀裂が簡単に亀裂があります。セメントペーストとハードミネラル凝集体の混合は、粗末な流れる能力を備えた剛性マトリックスを形成するため、小さな張力株は微小亀裂を開いてすぐに合体します。そのため、鉄筋コンクリートが非常に一般的です。鋼鉄の鉄筋は、張力を運ぶように埋め込まれ、延性（および靭性）を加えるように埋め込まれています。鋼は、セクションを一緒に保持し、突然の脆性崩壊よりも警告を保持し、警告を提供し、徐々に拡大します。

その他の脆い材料：他にも多くの例があります。高炭素または高度に硬化したツール鋼は、和らげないと脆くなる可能性があります。より高い炭素と硬度が延性を低下させるため、曲がったときにファイルまたは非常に硬いナイフブレードがスナップする場合があります。鉛筆の「鉛」のように、グラファイトは脆弱です。その層状構造により、平面がスライドしてマークを残すことができますが、スティックは控えめな力の下で簡単に壊れます。一部のポリマーも脆いです。ポリスチレン（使い捨てのカトラリーや古いCDのケースで使用される剛性プラスチック）は、曲がるのではなくスナップする傾向があります。

なぜいくつかの材料が脆弱なのですか？

脆性を理解するために、マイクロスケールと原子スケールの材料内で何が起こるかを見るのに役立ちます。材料は原子結合と微細構造が異なり、これらの違いはストレスへの反応を決定します。

結晶金属では、非局在化された金属結合とモバイル脱臼は通常、プラスチックの流れを可能にします。スリップが簡単な場合、ストレスの再分配と亀裂のヒントが鈍化します。結合が非常に方向性がある場合、またはクリスタルが動作可能なスリップシステムをほとんど提供していない場合、可塑性は制限されています。亀裂が核形成して伝播するまでストレスが集中します。

次に、微細構造がその亀裂がどのように成長するかを決定します。鋭い包含物、硬い第2フェーズ、毛穴、または弱いインターフェイスは、亀裂の発射サイトと経路として機能します。温度とひずみ速度も重要です。温度の低下またはひずみ速度が高いと、可塑性が削減され、脆性骨折に向かって挙動が押し上げられます。環境はバランスを傾ける可能性があります。原子の水素は亀裂を加速しますが、穀物結合の分解（例えば、顆粒間腐食や不純物の分離など）は境界に沿った凝集を減らします。

簡単に言えば、プラスチックの宿泊施設が希少で亀裂運転部隊が支配しているときに、脆性が現れます。材料が脱臼を自由に動かしたり、亀裂先端でエネルギーを消散させたりできない場合、故障は突然であり、ほとんど警告を与えません。

脆性を測定またはテストする方法は？

Brittlenessは、ストレス下での材料の挙動に関するものであるため（変形がほとんどなく破壊）、密度や融点のように調べることができる単一の「Brittleness Number」はありません。代わりに、エンジニアは、延性、骨折の靭性、衝撃エネルギーのテストを使用して間接的に特徴づけています。

脆性挙動を測定する標準的な方法の1つは、引張試験です。ストレスと緊張が記録されている間に犬の骨標本が引っ張られ、ストレス - ひずみ曲線が生成されます。脆性応答は、低い領域では、ほとんどまたはまったく降伏領域を持つ、突然の骨折へのほぼ線形の弾性経路です。 2つのクイックインジケーター - 破損時のエリアと面積の削減 - は、延性の尺度です（そして、brittle性を反比例させます）。脆い材料は、低い伸長と面積の最小限の減少を示します（ネッキングはほとんどまたはまったくありません）。金属の場合、テストのセットアップとレポートはASTM E8に従います。

Charpy V-Notch Impact Testでは、振り子が揺れ動く棒が打たれ、振り子エネルギーの損失（スイング高さの変化による）がジュールの吸収エネルギーとして記録されます（j）。低吸収エネルギーは、脆性反応を示します。高エネルギーは靭性を示します。結果は標本のサイズとノッチのジオメトリに依存するため、シャルピーエネルギーは、基本的な材料定数としてではなく、比較と温度研究に最適です。複数の温度でテストを実行すると、延性から脆性の遷移がマッピングされます。エンジニアは骨折の表面も読みます。明るい、ファセット/切断の特徴は脆性骨折を示唆していますが、鈍い繊維状の外観は延性があることを示します。

もう1つの重要な尺度は、平面鎖骨折の靭性です（k_IC）、亀裂の成長に対する材料の抵抗を定量化する骨折 - 機械的パラメーター。これは、事前に砕いた試験片の精度テストから決定され、亀裂が伸び始めた臨界応力強度係数を表します。脆性材料は低いkです_ICしたがって、欠陥の耐性が低いため、極端な亀裂は比較的低いストレスで故障を引き起こす可能性がありますが、丈夫で延性のある材料はkが高いです_IC亀裂を鈍らせたり逮捕したりできます。エンジニアは、骨折データを使用して、許容される欠陥のサイズを設定し、突然の骨折に対して設計します。

デザインの脆性障害を防ぐ方法

脆性性は突然の壊滅的な失敗につながる可能性があるため、エンジニアはそれに対処するための戦略を開発しました - 異なる材料を選択するか、材料と設計を変更して脆性行動を危険にさせることにより。

• 材料の選択と治療

脆性の故障を避ける最も簡単な方法は、緊張、曲げ、または衝撃の部品に対してより延性のある材料を選択することです。構造設計者は、しばしば、壊れる前に屈服して曲がる鋼またはアルミニウム合金を好みます。高い硬度、高温能力、または特定の電気挙動などの特性が必要な場合（本質的に脆性オプション（技術セラミック、ディスプレイガラスなど）を指定する必要があります。鋼では、消費されている高炭素微細構造は非常に硬いが脆い。強化は、タフネスの大きな利益と少し硬く取引します。鋳鉄は別のケースを提供します。灰色の鉄はフレークグラファイトのために脆い。少量のMgまたはCEを追加すると、紡錘体グラファイトを備えた延性（結節性）鉄が生成され、ストレス濃度が低下し、延性と耐衝撃性が著しく改善されます。

• 複合材料

脆性マトリックスとより延性のある相を組み合わせると、靭性が高まります。鉄筋コンクリートのペアコンクリート（脆性）で鋼鉄鉄筋（延性）を備えているため、セクションが緊張を運び、突然の崩壊を避けることができます。同様に、繊維強化ポリマーとセラミックマトリックスコンポジット埋め込みガラス、炭素、またはアラミド繊維を埋め込む亀裂、偏向、引き抜き、亀裂の成長に必要なエネルギーを増加させます（骨折の靭性が高くなります）。

• ジオメトリと安全因子を設計します

鋭い角とノッチを避けることにより、ストレス濃縮器を減らします。寛大なフィレットを使用してください。荷重が最も高い厚さまたはrib骨を追加します。薄いガラスシートは、厚いペインよりもはるかに簡単に壊れます。セラミックとガラスの場合、表面圧縮を誘導する（たとえば、焼き戻し）は、亀裂を開始するためにより高い引張応力を必要とすることにより、明らかな靭性を高めます。脆性部品はほとんど警告を与えないため、設計者はより高い安全因子を使用し、定期的な検査をスケジュールします。たとえば、航空宇宙では、脆弱な方法で動作できるコンポーネントは、X線または超音波で内部亀裂をチェックします。

• 環境制御

温度と環境は、材料がどのように変形し、骨折するかを変えます。低温で合金が脆くなった場合は、最小サービス温度を設定するか、寒冷気候のために延性から脆性への移行温度が低いグレードを選択します。同様に、水素のピックアップがリスク（高強度鋼の水素包含）である場合、充電を最小限に抑える予防コーティングとプロセスを使用し、吸収された水素を追い出すためにベイクアウト（熱排除）を実行します。

• フェールセーフと冗長性

重要なアプリケーションでは、亀裂が冗長なロードパスとフェイルセーフ機能を形成および設計できると仮定します。ラミネートされたフロントガラスは、プラスチックの中間層（例：PVB）を使用して、ガラスが亀裂の場合、破片が危険な破片になるのではなく結合されたままにします。圧力容器とパイプラインには、亀裂停止装置または層状/セグメント化された構造が組み込まれている可能性があるため、急速に走る亀裂が駆動力を失い、停止します。目標は単純です。単一の脆い亀裂が壊滅的な故障にカスケードするのを防ぐことです。

結論

脆性性は本質的に延性と靭性の欠如であることがわかりました。ガラス、セラミック、コンクリート、鋳鉄などの材料は、ポイントまで負荷を負担し、突然失敗します。エンジニアと科学者は、脆弱な故障のためにしきい値を上げ続けています。より丈夫な合金と複合材料を発達させ、処理による延性の改善、および単一クラック故障に抵抗する構造の設計。

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よくある質問

Brittlenessは物理的な特性ですか？

はい。 brittlenessは機械的特性（物理的特性のサブセット）です。ストレス下でのプラスチック変形がほとんどない材料の骨折する傾向を説明しています。本質的な数字ではありません。その発現は、温度、ひずみ速度、微細構造、および欠陥に依存し、間接的に評価されます（たとえば、休憩、衝撃エネルギー、骨折の靭性など）。

「壊れやすい」と「脆い」の違いは何ですか？

脆弱は一般的なオブジェクトレベルの形容詞です。何かが薄く、サポートされていない、または分解されているため、材料科学の用語であるため、操作やサービスで扱いやすいものが簡単に破損または壊れます。材料科学の用語：塑性変形がほとんどない材料骨折（低延性/低靭性）、通常は急速に亀裂の成長によるものです。硬さと剛性に依存しません。