Sprödigkeit verstehen:Definition, Ursachen, Beispiele und gängige Materialien

Sprödigkeit ist eine Materialeigenschaft, die die Tendenz beschreibt, bei Belastung mit geringer oder keiner plastischen Verformung zu brechen. Sprödes Verhalten entsteht, wenn Atome in einem Material nicht aneinander vorbeigleiten können und gleichzeitig die Gesamtintegrität der Atomgitterstruktur erhalten bleibt. Risse in spröden Materialien bilden sich und breiten sich schnell über Körner oder entlang von Korngrenzen aus, wenn sie ausreichend hohen Spannungen ausgesetzt sind. Dieser Prozess verläuft typischerweise schnell.
Jeder, der schon einmal einen Teller oder eine Bleistiftspitze fallen gelassen und zerbrochen hat, kennt spröde Materialien. Beispiele für spröde Materialien sind Glas, Keramik, Graphit und Legierungen mit geringer Duktilität, wie z. B. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt und Gusseisen.
In diesem Artikel wird das Konzept der Sprödigkeit erläutert, seine Ursachen erläutert und Beispiele für spröde Materialien beschrieben.

Was ist Sprödigkeit?

Sprödigkeit ist die Tendenz eines Materials, leicht zu brechen, zu reißen oder zu reißen. Sprödigkeit kann bei Metallen, Keramik, Kunststoffen, Glas und Verbundwerkstoffen auftreten.

Was ist Sprödigkeit in der Materialwissenschaft?

In der Materialwissenschaft ist Sprödigkeit die Eigenschaft, die die Bruchneigung eines Materials bei minimaler plastischer Verformung charakterisiert. Spröde Materialien haben eine schlechte Fähigkeit, Energie zu absorbieren, bevor sie brechen.

Was ist Sprödigkeit in der Chemie?

In der Chemie bezeichnet Sprödigkeit die Unfähigkeit eines Materials, sich aufgrund seiner atomaren Mikrostruktur zu verformen. Einige Mikrostrukturen, in denen Atome viele Gleitsysteme haben und mehr Möglichkeiten zur Versetzung haben, machen Materialien weniger spröde. Andere, beispielsweise solche, bei denen Atome nur wenige Gleitsysteme haben, führen dazu, dass Materialien spröder werden.

Was ist ein Beispiel für Sprödigkeit?

Sprödigkeit kann eine angeborene Eigenschaft sein oder durch äußere Faktoren hervorgerufen werden. Zu den von Natur aus spröden Materialien gehören Glas, Ziegel, Eierschalen, Graphit und Alkalimetalle wie Magnesium. Zu den Materialien, die nicht von Natur aus spröde sind, aber aufgrund bestimmter Faktoren, wie z. B. kalte Betriebstemperaturen, interkristalline Korrosion und Wasserstoffversprödung, spröde werden, gehören Stähle mit niedrigem und hohem Kohlenstoffgehalt sowie Titan.

Wann tritt Sprödigkeit des Materials auf?

Sprödigkeit ist eine intensive physikalische Eigenschaft eines Materials, das heißt, sie wird nicht von der Größe oder Ausdehnung des Materials beeinflusst. Während einige Materialien, wie die meisten Keramiken und Gläser, aufgrund ihrer atomaren Struktur und fehlender Gleitsysteme von Natur aus spröde sind, können einige normalerweise duktile Materialien bei sinkenden Temperaturen spröde werden.

Normalerweise können duktile Werkstoffe auch durch Wasserstoff oder Korrosion entlang der Korngrenzen verspröden. Die Wasserstoffversprödung erfolgt über eine Vielzahl komplexer Mechanismen, die noch nicht vollständig verstanden sind. Das gemeinsame Merkmal ist, dass Wasserstoffatome (keine H2-Gasmoleküle) in das Metall diffundieren und verheerende Schäden anrichten. Die schädlichen Auswirkungen können durch die Bildung gasförmiger Spezies verursacht werden, die den Innendruck erhöhen, durch die Bildung spröder Festkörperverbindungen oder durch die Erhöhung der Geschwindigkeit der Versetzungsbewegung, was die Geschwindigkeit der Rissausbreitung im Metall erhöht.

Interkristalline Korrosion tritt auf, wenn ein Metall vor allem an den Schwachstellen seiner Oberfläche von einem Korrosionsmittel angegriffen wird:an den Grenzen zwischen den Körnern. Interkristalline Korrosion führt typischerweise zur Ablagerung spröder Korrosionsprodukte zwischen den Körnern, die das normalerweise duktile Metall ersetzen und einen einfachen Bruchweg durch das unerwünschte spröde Material ermöglichen.

Was sind die Ursachen für Sprödigkeit?

Die Ursachen für Sprödigkeit sind nicht bei jedem Material gleich. In der folgenden Liste werden einige der häufigsten Ursachen ausführlicher beschrieben:

1. Amorphe Materialien (wie Glas) haben keine organisierten Atomstrukturen. Es gibt für Atome keine einfache Möglichkeit, aneinander vorbeizuschlüpfen. Versetzungen, bei denen es sich um Defekte auf atomarer Ebene in Kristallen handelt, werden festgehalten und machen amorphe Materialien spröde.
2. Starke Ionenbindungen zwischen geladenen Atomen verhindern ein Verrutschen und machen das Material spröde. Dies ist häufig bei keramischen Materialien der Fall.
3. Niedrige Temperaturen können die Wärmeenergie von Atomen in einem Material reduzieren und sie widerstandsfähiger gegen Verrutschen und Versetzung machen.
4. Materialien mit weniger Gleitsystemen oder Möglichkeiten zur Versetzung von Atomen sind spröder als Materialien mit mehr Gleitsystemen.
5. Verunreinigungen oder Fremdatome in einem Material können zu Sprödigkeit führen. Dies ist bei Wasserstoffversprödung und bei einigen Legierungen wie Gusseisen der Fall.

Was sind die verschiedenen spröden Materialien?

Nachfolgend werden einige Beispiele für spröde Materialien beschrieben:

1. Glas

Glas ist eines der bekanntesten spröden Materialien. Aufgrund seiner amorphen Struktur ist es spröde. Der Anordnung von Glas auf atomarer Ebene fehlt die organisierte Struktur kristalliner Materialien. Ohne organisierte Atomebenen, die gegeneinander gleiten können, kann die Spannung, die dazu führt, dass Atome auseinandergezogen werden, nicht abgebaut werden. Es wird schließlich die Stärke der interatomaren Bindungen überschreiten, was zur Bildung von Rissen führt, die sich schnell durch das Material ausbreiten und es plötzlich auseinanderbrechen lassen.

2. Keramik

Der Begriff Keramik wird für eine breite Palette von Materialien wie Zement, Emaille, Ziegel, Porzellan und Keramik verwendet. Bei kristallisierter Keramik bestehen die Atomstrukturen hauptsächlich aus starken Ionenbindungen zwischen geladenen Atomen. Diese Ionenbindungen bilden Kristalle, die es den Atomebenen erschweren, gegeneinander zu gleiten. Folglich ist es für Atome schwierig, sich zu verschieben, was das Material spröde macht.

3. Graphit

Graphit ist eine weiche und spröde kristalline Form von Kohlenstoff mit einer hexagonal dicht gepackten (HCP) Kristallstruktur. Sprödigkeit kann auf die Kristallstruktur eines bestimmten Materials und die Anzahl der Gleitsysteme in der Struktur zurückgeführt werden. Materialien mit Kristallstrukturen, die weniger Gleitsysteme aufweisen, sind spröder, da ihre Atome widerstandsfähiger gegen Versetzungen sind. HCP-Strukturen in Graphit haben drei Gleitsysteme, während kubisch-flächenzentrierte (FCC) Systeme in einem anderen Kohlenstoffallotrop, Diamant, zwölf Gleitsysteme haben. Darüber hinaus weist Graphit starke kovalente Bindungen zwischen Atomen innerhalb derselben Ebene, aber schwache Bindungen zwischen Ebenen auf. Dies und seine HCP-Struktur tragen dazu bei, dass Graphit spröde ist.

4. Legierungen mit geringer Plastizität

Auch Legierungen mit geringer Plastizität wie Gusseisen und Titan zählen zu den spröden Werkstoffen. Die Kristallstruktur hat großen Einfluss auf die Sprödigkeit einer Legierung. Beispielsweise sind Materialien mit FCC-Struktur wie Kupfer duktiler als Materialien mit HCP-Struktur wie Titan oder Magnesium. FCC-Strukturen verfügen über 12 Slip-Systeme, während HCP-Strukturen nur über 3 Slip-Systeme verfügen. Drei Gleitsysteme machen HCP-Strukturen spröder, da die Atome in ihrer Struktur widerstandsfähiger gegen Verschiebungen sind.

Welche Bedeutung hat die Erkennung von Sprödigkeit?

Es ist wichtig, spröde Materialien zu identifizieren, da spröde Materialien Auswirkungen auf die erfolgreiche Umsetzung und Haltbarkeit eines Designs haben können. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit werden häufig spröde Materialien für Konstruktionen ausgewählt. Da spröde Materialien jedoch ohne Vorwarnung brechen können, kann ein sprödes Versagen katastrophale Folgen haben. Es wird empfohlen, duktilere Materialien auszuwählen, die den Belastungen standhalten können, die das spröde Material in den Konstruktionen erfordert.

Wie wird Sprödigkeit bestimmt?

Die Sprödigkeit wird bestimmt, indem ein Zugversuch durchgeführt und die Duktilität eines Materials berechnet wird. Ein Material gilt als spröde, wenn es im Zugversuch eine geringe Duktilität aufweist. Die Standardprüfmethode zur Durchführung von Zugversuchen an metallischen Werkstoffen ist ASTM E8. Das entsprechende Verfahren für Kunststoffe finden Sie in ASTM D638. Bei einem Zugversuch wird ein Probekörper auf genormte Abmessungen vorbereitet und anschließend eine ständig steigende Zugbelastung ausgeübt, bis der Probekörper bricht. Die Werte für die Spannung und Dehnung, denen die Probe ausgesetzt ist, werden aufgezeichnet und zur Bestimmung der Duktilität und indirekt ihrer Sprödigkeit verwendet.

Wie lautet die Formel für Sprödigkeit?

Es gibt keine spezielle Formel für Sprödigkeit. Die Sprödigkeit eines Materials kann jedoch aus einer der beiden unten aufgeführten Duktilitätsformeln abgeleitet werden:

Duktilität ist definiert als der Prozentsatz der Gesamtdehnung, die das Material vom Beginn des Tests bis zum Bruch erfährt, oder die entsprechende prozentuale Verringerung der Querschnittsfläche, die ein Material beim Bruch erfährt.

Je geringer die gemessene Duktilität ist, desto spröder gilt ein Werkstoff. Die Formel für die prozentuale Dehnung ist dieselbe wie die Formel für die technische Dehnung.
Siehe unseren Artikel „Wie berechnet man die Duktilität?“ für einen detaillierteren Überblick zum Thema Duktilität. 

Welche Arten von Sprödigkeit gibt es?

Die beiden Arten von Sprödbrüchen sind transgranular und intergranular. Sie werden im Folgenden ausführlicher beschrieben:

1. Transgranular:Risse breiten sich über die Körner des Materials aus. Risse folgen dem Weg des geringsten Widerstands und ändern ihre Richtung, um den schwächsten Spaltungsebenen zu folgen. Große Korngrößen (weniger Korngrenzen) ermöglichen eine schnellere Ausbreitung von Rissen, da Korngrenzen die Rissausbreitung behindern. Daher tragen große Korngrößen zu einer höheren Sprödigkeit bei.
2. Intergranular:Risse breiten sich entlang der Korngrenzen des Materials aus. Dies ist häufig der Fall, wenn die Korngrenzen spröde sind, was durch Wasserstoffversprödung und interkristalline Korrosion verursacht wird.

Was ist das Gegenteil von Sprödigkeit?

Duktilität gilt als das Gegenteil von Sprödigkeit. Duktilität ist die Materialeigenschaft, die die Fähigkeit eines Materials beschreibt, sich plastisch zu verformen. Das Verständnis der Rolle der Bruchmechanik und der duktilen bzw. spröden Materialien ist für die Entwicklung sicherer, effektiver und langlebiger Teile und Strukturen von entscheidender Bedeutung.

Ist Sprödigkeit eine physikalische Eigenschaft?

Ja, Sprödigkeit ist eine physikalische Eigenschaft. Es charakterisiert, wie die Atome in der physikalischen Struktur des Materials bei Belastung miteinander interagieren.

Was ist der Unterschied zwischen „zerbrechlich“ und „brüchig“?

„Zerbrechlich“ und „spröde“ werden oft synonym verwendet. Es gibt jedoch Unterschiede zwischen ihren Definitionen. „Zerbrechlich“ beschreibt einfach ein Material, das leicht zerbricht. Während „spröde“ auch Materialien beschreibt, die leicht brechen, bezieht es sich insbesondere auf Materialien, die hart und steif sind und vor dem Bruch keine nennenswerte plastische Verformung aufweisen. In der Materialwissenschaft ist die Definition von „spröde“ spezifischer, da es auf einen Mangel an Duktilität hinweist, d. h. das Material bricht bei minimaler Verformung. „Zerbrechlich“ ist ein weiter gefasster Begriff und kann Materialien beschreiben, die technisch gesehen zwar nicht spröde sind, aber dennoch leicht beschädigt werden können.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurde die Sprödigkeit vorgestellt, erklärt, was sie ist, und die verschiedenen Arten spröder Materialien besprochen. Um mehr über Sprödigkeit zu erfahren, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

Xometry bietet eine breite Palette an Fertigungsmöglichkeiten, einschließlich 3D-Druck und anderen Mehrwertdiensten für alle Ihre Prototyping- und Produktionsanforderungen. Besuchen Sie unsere Website, um mehr zu erfahren oder ein kostenloses und unverbindliches Angebot anzufordern.

Haftungsausschluss

Der auf dieser Webseite erscheinende Inhalt dient ausschließlich Informationszwecken. Xometry gibt keinerlei Zusicherungen oder Gewährleistungen jeglicher Art, weder ausdrücklich noch stillschweigend, hinsichtlich der Richtigkeit, Vollständigkeit oder Gültigkeit der Informationen. Leistungsparameter, geometrische Toleranzen, spezifische Designmerkmale, Qualität und Arten von Materialien oder Prozessen sollten nicht als Darstellung dessen angesehen werden, was von Drittanbietern oder Herstellern über das Netzwerk von Xometry geliefert wird. Käufer, die Angebote für Teile einholen, sind dafür verantwortlich, die spezifischen Anforderungen für diese Teile zu definieren. Weitere Informationen finden Sie in unseren Allgemeinen Geschäftsbedingungen.

Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

Lesen Sie weitere Artikel von Dean McClements