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材料が脆いとは、応力を受けたときに、弾性変形がほとんどなく、塑性変形もほとんどなく破壊されることを意味します。脆い材料は、強度が高いものであっても、破壊前に吸収するエネルギーが比較的少ないです。破壊の際には、鋭いパキッという音が伴うことがよくあります。
材料科学で使用される場合、これは一般に、破損前に塑性変形がほとんどまたはまったくない場合に破損する材料に適用されます。1 つの証明は、壊れた半分を合わせることです。塑性変形が発生していないため、正確にフィットするはずです。
さまざまな材料の脆さ
ポリマー
ポリマーの機械的特性は室温付近の温度変化に敏感です。例えば、ポリ(メチルメタクリレート)は4℃の温度では非常に脆くなりますが、[1]温度が上昇すると延性が増加します。
非晶質ポリマーは、異なる温度で異なる挙動を示すポリマーです。低温ではガラスのように（ガラス領域）、中間温度ではゴムのような固体のように（革のようなまたはガラス転移領域）、高温では粘性液体のように（ゴムのような流動および粘性流動領域）振る舞います。この挙動は粘弾性挙動として知られています。ガラス領域では、非晶質ポリマーは硬くて脆くなります。温度が上昇するにつれて、ポリマーの脆さは減少します。
金属
一部の金属は、そのすべり系が原因で脆い特性を示します。金属のすべり系が多いほど、これらのすべり系の多くに沿って塑性変形が発生するため、脆さは低くなります。逆に、すべり系が少ないと、塑性変形が少なくなり、金属はより脆くなります。たとえば、HCP (六方最密充填) 金属にはアクティブなすべり系がほとんどなく、通常は脆いです。
陶芸
セラミックは、転位運動、つまり滑りが困難なため、一般的に脆くなります。結晶性セラミックには、転位が移動できる滑り系がほとんどないため、変形が困難になり、セラミックがより脆くなります。
セラミック材料は一般にイオン結合を示します。イオンの電荷と、同じ電荷を持つイオン同士の反発により、滑りはさらに制限されます。
脆い材料の変更
材料は、より脆くなるように、またはより脆くならないように変更できます。
強化
材料が強度の限界に達すると、通常は変形するか破損するかのどちらかになります。自然に可鍛性のある金属は、塑性変形のメカニズム（結晶粒度の縮小、析出硬化、加工硬化など）を阻害することで強度を高めることができますが、これを極端に行うと破損の可能性が高くなり、材料が脆くなる可能性があります。したがって、材料の靭性を向上させるにはバランスを取る必要があります。
ガラスなどの本来脆い材料を効果的に強化することは難しくありません。このような技術のほとんどは、2 つのメカニズムのいずれかを使用します。つまり、広がる亀裂の先端を逸らすか吸収するか、または特定の予測可能な原因による亀裂が閉じるように注意深く制御された残留応力を生成します。最初の原理は、2 枚のガラスがポリビニルブチラールの中間層で分離されている合わせガラスで使用されます。ポリビニルブチラールは粘弾性ポリマーとして、広がる亀裂を吸収します。2 番目の方法は、強化ガラスとプレストレストコンクリートで使用されます。ガラス強化のデモンストレーションは、Prince Rupert's Dropによって提供されています。脆いポリマーは、サンプルに応力がかかったときに金属粒子を使用してひび割れを開始することで強化できます。その良い例が、高衝撃性ポリスチレン(HIPS) です。最も脆くない構造用セラミックは、シリコンカーバイド(主にその高強度による) と変態強化ジルコニアです。
複合材料では異なる原理が使われており、例えば脆いガラス繊維がポリエステル樹脂などの延性マトリックスに埋め込まれています。ひずみが生じるとガラスとマトリックスの界面に亀裂が生じますが、亀裂の数が多いと多くのエネルギーが吸収され、材料が強化されます。同じ原理が金属マトリックス複合材料の作成にも使われています。
圧力の影響
一般に、物質の脆性強度は圧力によって増加します。これは例えば、地殻の深さ約 10 キロメートル (6.2 マイル) にある脆性-延性遷移帯で起こり、この領域では岩石が破壊されにくくなり、延性変形しやすくなります( rheid を参照)。
亀裂の成長
超音速破壊とは、脆い材料における亀裂の速度が音速よりも速いことです。この現象は、シュトゥットガルトのマックス・プランク金属研究所( Markus J. BuehlerおよびHuajian Gao ) とカリフォルニア州サンノゼのIBM アルマデン研究センター( Farid F. Abraham )の科学者によって初めて発見されました[出典が必要]。
参照
参考文献
- ^ Callister Jr., William D.; Rethwisch, David G. (2015).材料科学と工学の基礎(第 5 版). Wiley. ISBN 978-1-119-17548-3。
- Lewis, Peter Rhys; Reynolds, K; Gagg, C (2004).法医学材料工学: ケーススタディ. CRC Press. ISBN 978-0-8493-1182-6。
- Rösler, Joachim; Harders, Harald; Bäker, Martin (2007).エンジニアリング材料の機械的挙動: 金属、セラミックス、ポリマー、複合材料。Springer。ISBN 978-3-642-09252-7。
- Callister, William D.; Rethwisch, David G. (2015).材料科学と工学の基礎. Wiley. ISBN 978-1-119-17548-3。