Imagine soltar sua caneca de café favorita no chão da cozinha - ele se despedaça em pedaços afiados. Agora imagine uma tenda de aranha de tela de smartphone após uma queda ou uma parede de concreto não reforçada rachando durante um terremoto. Esses exemplos cotidianos destacam a fragilidade, uma propriedade material que pode levar a uma quebra repentina sem aviso prévio. A Brittless é importante para a segurança e a confiabilidade: um componente quebradiço em um edifício, ponte ou produto pode falhar catastroficamente se não for considerado. A história oferece lembretes fortes - a maioria dos rms Titanic, cujo aço ficou quebradiço em águas do Atlântico Frígido e rachou com o impacto em vez de dobrar, contribuindo para o desastre. Engenheiros e designers prestam muita atenção à fragilidade, porque, diferentemente dos materiais dúcteis que dobram ou esticam, os quebradiços tendem a se estresse.
Este post explora o que é a fragilidade e como difere da dureza e resistência. Ele também explica por que os materiais como vidro ou ferro fundido são quebradiços e como testamos e mitigamos a fragilidade no design de engenharia.
O que é a fragilidade?
A fragilidade da ciência dos materiais refere -se à tendência de um material de fraturar com pouca ou nenhuma deformação plástica de antemão. Simplificando, um material quebradiço não se dobra ou se estica muito - isso quebra. Se você tentar dobrar um objeto quebradiço, ele quebrará ou se encaixará quase imediatamente, em vez de passar por deformação plástica. Este é o oposto deductilidade, a capacidade de um material para sustentar deformação plástica significativa (por exemplo, ser atraída para arame ou dobrado) antes de falhar. Metais altamente dúcteis (como cobre ou ouro) podem ser dobrados, esticados ou desenhados consideravelmente, enquanto materiais quebradiços (como vidro ou cerâmica) fraturam após apenas uma pequena tensão elástica.
Artleza versus ductilidade, resistência e dureza
A comparação de fragilidade e ductilidade se resume a quanto um material pode deformar plasticamente antes da fratura. Um material quebradiço tem ductilidade muito baixa e atinge seu ponto de ruptura em pequena tensão; Um dúctil pode sustentar uma deformação plástica significativa. Nos metais, uma regra comum é que o alongamento no intervalo ≲ ~ 5% é chamadofrágil, enquanto ≳ ~ 5% é consideradodúctil(dependente de material e teste; cerâmica e vidro geralmente estão muito abaixo de 1%). Praticamente, os materiais quebradiços dão pouco aviso - eles não se dobram visivelmente ou pescoço antes de bater. Em umCurva de estresse -tensão, materiais dúcteis mostram rendimento e uma longa região plástica, enquanto materiais quebradiços são quase lineares-elásticos até uma fratura abrupta com plasticidade mínima.
ResistênciaDescreve a energia que um material absorve antes de fraturar (pense: a área sob uma curva estresse -tensão). Geralmente aumenta quando um material combina alta resistência e boa ductilidade; Não é o rigoroso "oposto" da fragilidade. Um pneu de borracha é difícil porque se deforma e absorve o impacto; O vidro recozido é quebradiço porque não pode se deformar plasticamente; portanto, um golpe agudo pode fazê -lo quebrar.
Durezaé um conceito diferente - a resistência a arranhões e indentação localizada. Um material pode ser extremamente difícil, mas quebradiço. O diamante, por exemplo, resiste a arranhar, mas, sem plasticidade, pode lascar ou se apegar sob um golpe nítido. Por outro lado, algo relativamente macio (como borracha) pode resistir a rachaduras no impacto porque pode se deformar. Em suma, a dureza diz respeito à resistência à deformação localizada, enquanto a fragilidade descreve o comportamento da fratura.
Exemplos de materiais quebradiços e como eles falham
Muitos materiais diários e industriais exibem comportamento quebradiço. Aqui estão alguns exemplos e como eles falham sob estresse:
Vidro:O vidro comum (como vidro de janela ou um vidro para beber) é um material quebradiço clássico. É muito difícil e forte em compressão, mas sob tensão ou impacto de tração, não pode se deformar plasticamente. Coloque um copo em um piso duro e ele normalmente fraturas em fragmentos grandes e afiados. A falha é por propagação de crack: uma vez que uma pequena falha ou ponto de impacto inicia uma rachadura, ele corre pelo vidro com quase nenhuma deformação plástica. Essa fragilidade vem de sua estrutura: a rede de sílica é rígida e amorfa e, diferentemente dos metais, não há deslocamentos móveis para aliviar o estresse. Curiosamente, tratamentos especiais podem mudar como as quebras de vidro-por exemplo, vidro temperado, produzidas por tratamento de calor para introduzir tensões compressivas de superfície, ainda são quebradiças, mas tendem a invadir peças pequenas e semelhantes a dados (daí "" vidro de segurança "). O vidro laminado, usado em pára -brisas, liga duas camadas de vidro a um intercalador de plástico (geralmente PVB); portanto, quando as rachaduras formam o intercalador mantém as peças juntas. Esses tratamentos mitigam o modo de falha, mas o vidro fundamentalmente falha ao quebrar, não dobrando.
Cerâmica:A cerâmica é igualmente quebradiça. Bata um vaso de cerâmica de uma prateleira e ele lascará ou quebra em vez de amassar. Estruturalmente, as cerâmicas são ligadas ionicamente e/ou covalentemente e geralmente são policristalinas (a porcelana também contém uma fase vítrea). Em uma placa de porcelana, por exemplo, a rede atômica é rígida; Quando estressados, os planos atômicos não podem facilmente escorregar. Nos sólidos iônicos, uma pequena mudança traz íons carregados lado a lado, eles repelem fortemente e uma rachadura inicia. Como o movimento de deslocamento é limitado e as ligações são direcionais, a cerâmica tem alta dureza e resistência à compressão, mas tendem a se encaixar sob tensão ou flexão. Quando falham, as superfícies de fratura são tipicamente limpas e facetadas ao longo dos planos de cristal (decote). Um ladrilho de cerâmica carregado além de sua capacidade desenvolve rachaduras que se propagam através do corpo e quebram com uma fratura limpa e semelhante a vidro, com praticamente nenhum rendimento visível.
Ferro fundido (especialmente ferro fundido cinza):O ferro fundido é um metal, mas certas notas são notoriamente quebradiças. Se você já viu um antigo bloco de motor fundido ou uma rachadura de tubo de ferro fundido, testemunhou fraturas quebradiças. O ferro fundido cinza (nomeado para a cor cinza de sua superfície de fratura) possui um teor de carbono relativamente alto; O carbono forma flocos de grafite distribuídos por toda a matriz de ferro. Esses flocos se comportam como rachaduras internas e concentradores de estresse fortes, para que o metal não se estique muito antes de quebrar. Como resultado, o ferro fundido é muito forte em compressão (quando apoiado uniformemente), mas pode falhar repentinamente na tensão ou no impacto. Por outro lado, o ferro dúctil (nodular) é um ferro fundido modificado no qual a grafite é induzida a formar nódulos esféricos (normalmente via tratamento com magnésio); É muito menos quebradiço e se deformará sob impacto, em vez de quebrar. Discutiremos isso ainda mais na seção de design.
Concreto:O concreto pode parecer sólido e parecido com uma rocha (e é), mas é outro exemplo de material quebradiço. Sob compressão, o concreto é muito forte e pode carregar cargas muito grandes. No entanto, sob tensão (puxando ou flexão), rachaduras de concreto simples facilmente. A mistura de pasta de cimento e agregado mineral duro forma uma matriz rígida com capacidade muito limitada de fluir plasticamente, de modo que pequenas cepas de tração abertas abertas que se fundem rapidamente. É por isso que o concreto reforçado é tão comum: o vergalhão de aço está incorporado a carregar tensão e adicionar ductilidade (e resistência). O aço pode ceder e esticar, mantendo a seção unida e fornecendo aviso - as cracks se formam e aumentam gradualmente - em vez de um súbito colapso quebradiço.
Outros materiais quebradiços:Existem muitos outros exemplos. Aços ferramentas de alto carbono ou altamente endurecido podem ser quebradiços se não forem temperados. Um arquivo ou lâmina de faca muito dura pode se encaixar quando dobrado, porque o carbono e a dureza mais alta reduzem a ductilidade. A grafite, como a lápis "chumbo", é quebradiça: sua estrutura em camadas permite que os aviões deslizem para deixar uma marca, mas o bastão quebra facilmente sob força modesta. Alguns polímeros também são quebradiços. O poliestireno (o plástico rígido usado em talheres descartáveis e em casos de CD antigo) tende a estalar em vez de dobrar.
Por que alguns materiais são quebradiços?
Para entender a fragilidade, ajuda a analisar o que acontece dentro de um material nas escalas micro e atômicas. Os materiais diferem em suas ligações atômicas e microestruturas, e essas diferenças determinam como elas respondem ao estresse.
Nos metais cristalinos, a ligação metálica delocalizada e as luxações móveis normalmente permitem o fluxo plástico. Quando o deslizamento é fácil, o estresse redistribuem e as pontas de rachaduras são embotadas. Onde a ligação é altamente direcional ou o cristal oferece poucos sistemas de deslizamento operáveis, a plasticidade é restrita; O estresse se concentra até que uma rachadura nuclee e se propaga.
A microestrutura decide então como essa rachadura cresce. Inclusões nítidas, fases segundas duras, poros ou interfaces fracas atuam como locais de lançamento e caminhos para rachaduras. A temperatura e a taxa de deformação também são importantes: temperaturas mais baixas ou taxas de deformação mais altas reduzem a plasticidade, empurrando o comportamento em direção à fratura quebradiça. O ambiente pode inclinar o equilíbrio-o hidrogênio atômico acelera a rachadura, enquanto a degradação do boundar de grãos (por exemplo, corrosão intergranular ou segregação de impureza) reduz a coesão ao longo dos limites.
Simplificando, a fragilidade surge quando as acomodações plásticas são escassas e as forças que dirigem rachaduras dominam. Se um material não pode mover luxações livremente ou dissipar energia na ponta da trinca, a falha é repentina e dá pouco aviso.
Como medir ou testar a fragilidade?
Como a fragilidade é sobre o comportamento de um material sob estresse (fraturando com pouca deformação), não há um único "número de fragilidade", você pode procurar densidade ou ponto de fusão; Em vez disso, os engenheiros o caracterizam indiretamente usando testes de ductilidade, resistência à fratura e energia de impacto.
Uma das maneiras padrão de avaliar o comportamento quebradiço é um teste de tração. Uma amostra de osso de cachorro é puxada enquanto a tensão e a tensão são registradas para gerar uma curva estresse-tensão. Uma resposta quebradiça é um caminho elástico quase linear para fraturas repentinas, com pouca ou nenhuma região de rendimento. Dois indicadores rápidos - o alongamento no intervalo e a redução da área - são medidas de ductilidade (e indicam inversamente a fragilidade). Um material quebradiço mostrará baixo alongamento e redução mínima de área (pouca ou nenhum necking). Para metais, a configuração e o relatório do teste seguem o ASTM E8.
Em um teste de impacto em Noth Charpy, uma barra entalhada é atingida por um pêndulo oscilante e a perda na energia do pêndulo (da mudança na altura do balanço) é registrada como a energia absorvida em Joules (J). A baixa energia absorvida indica uma resposta quebradiça; Alta energia indica resistência. Como o resultado depende do tamanho da amostra e da geometria de Notch, a energia Charpy é melhor usada para comparações e estudos de temperatura, não como uma constante de material fundamental. A execução do teste em várias temperaturas mapeia a transição dúctil para quebradiça. Os engenheiros também lêem a superfície da fratura: características brilhantes, facetadas/de clivagem sugerem fraturas quebradiças, enquanto uma aparência fibrosa e maçante indica uma quebra dúctil.
Outra medida-chave é a tenacidade da fratura de deformação plana (kIc), um parâmetro de mecânica de fratura que quantifica a resistência de um material ao crescimento da trinca. É determinado a partir de testes de precisão em amostras pré-embrulhadas e representa o fator crítico de intensidade de tensão no qual uma rachadura começa a se estender. Materiais quebradiços têm baixo kIcE, portanto, de baixa tolerância a falhas - pequenas rachaduras podem causar falha em estresse relativamente baixo, enquanto materiais dúcteis difíceis têm alto kIce pode contorcer ou prender rachaduras. Os engenheiros usam dados de fração de fatura para definir tamanhos de defeitos e desenhos permitidos contra fraturas repentinas em serviço.
Como evitar falhas quebradiças em seu design
Como a fragilidade pode levar a falhas catastróficas repentinas, os engenheiros desenvolveram estratégias para lidar com isso - selecionando diferentes materiais ou modificando materiais e projetos para tornar o comportamento quebradiço menos perigoso.
Seleção e tratamento de material
A maneira mais simples de evitar falhas quebradiças é escolher um material mais dúctil para peças em tensão, flexão ou impacto. Os designers estruturais geralmente favorecem aços ou ligas de alumínio que cederão e dobrarão antes de quebrar. Quando propriedades como alta dureza, alta capacidade de temperatura ou comportamento elétrico específico são necessários-apontando para opções inerentemente quebradiças (por exemplo, cerâmica técnica, vidro de exibição)-os engenheiros melhoram a resistência ao processamento. Nos aços, as microestruturas de alto carbono com extinção são muito difíceis, mas quebradiças; O temperamento comercializa um pouco de dureza por um grande ganho de resistência. O ferro fundido oferece outro caso: o ferro cinza é quebradiço devido à grafite de flocos; A adição de pequenas quantidades de Mg ou CE produz ferro dúctil (nodular) com grafite esferoidal, reduzindo as concentrações de tensão e melhorando acentuadamente a ductilidade e a resistência ao impacto.
Materiais compostos
A combinação de uma matriz quebradiça com uma fase mais dúctil gera resistência. Pares de concreto armado de concreto (quebradiço) com vergalhão de aço (dúctil) para que a seção possa transportar tensão e evitar colapso repentino. Da mesma forma, polímeros reforçados com fibra e compósitos de matriz cerâmica incorporam fibras de vidro, carbono ou aramida que preenchem rachaduras, desviam caminhos e retiram, aumentando a energia necessária para o crescimento da trinca (tenacidade de fratura mais alta).
Geometria de design e fatores de segurança
Reduzir os concentradores de tensão, evitando cantos e entalhes afiados; Use filetes generosos. Adicione a espessura ou as costelas onde as cargas são mais altas - uma folha de vidro fina quebra muito mais facilmente do que um painel grosso. Para cerâmica e vidro, a indução da compressão da superfície (por exemplo, temperamento) aumenta a tenacidade aparente, exigindo maior tensão de tração para iniciar uma rachadura. Como as peças quebradiças dão pouco aviso, os designers também usam fatores de segurança mais altos e agendam inspeções regulares; No aeroespacial, por exemplo, os componentes que podem se comportar de maneira quebradiça são verificados com raio-x ou ultrassom para rachaduras internas.
Controle ambiental
A temperatura e o ambiente mudam como os materiais se deformam e fraturam. Se uma liga se tornar quebradiça a baixas temperaturas, defina uma temperatura mínima de serviço ou selecione uma nota com uma temperatura de transição dúctil para baixo menor para climas frios. Da mesma forma, se a captação de hidrogênio for um risco (fragilização de hidrogênio em aços de alta resistência), use revestimentos e processos preventivos que minimizem o carregamento e executem um Bake-out (De-Embritmentlement) para impulsionar o hidrogênio absorvido.
Provações de falhas e redundância
Em aplicações críticas, suponha que as rachaduras possam formar e projetar caminhos de carga redundantes e recursos à prova de falhas. Os pára -brisas laminados usam um intercalador de plástico (por exemplo, PVB) para que, se as rachaduras de vidro, os fragmentos permanecem ligados em vez de se tornarem fragmentos perigosos. Os vasos de pressão e os oleodutos podem incorporar paradas de rachaduras ou construção em camadas/segmentadas, para que uma rachadura rápida perde força motriz e pare. O objetivo é simples: impedir que uma única rachadura quebradiça em cascata em falha catastrófica.
Conclusão
Vimos que a fragilidade é essencialmente uma falta de ductilidade e resistência: materiais como vidro, cerâmica, concreto e ferro fundido podem suportar cargas até um ponto e depois falhar abruptamente. Engenheiros e cientistas continuam aumentando os limiares para falhas quebradiças-desenvolvendo ligas e compósitos mais difíceis, melhorando a ductilidade através do processamento e projetando estruturas que resistam à falha de ração única.
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Perguntas frequentes
A Brittleness é uma propriedade física?
Sim. A fragilidade é uma propriedade mecânica (um subconjunto de propriedades físicas): descreve a tendência de um material de fraturar com pouca deformação plástica sob estresse. Não é um único número intrínseco; Sua expressão depende da temperatura, taxa de deformação, microestrutura e falhas, e é avaliada indiretamente (por exemplo, alongamento no intervalo, energia de impacto, resistência à fratura).
Qual é a diferença entre "frágil" e "quebradiço?"
Fragil é um adjetivo geral e no nível de objeto: algo é facilmente danificado ou quebrado em manuseio ou serviço, geralmente porque é fino, pouco apoiado ou degradado. Brittle é um termo de ciência dos materiais: um material fraturas com pouca deformação plástica (baixa ductilidade/baixa resistência), normalmente por um rápido crescimento de trincas; É independente da dureza e rigidez.
