Sprödigkeit von Materialien verstehen

Unter Spannung wird ein Material als spröde bezeichnet, wenn es mit geringer elastischer Verformung und geringer oder keiner plastischen Verformung reißt. Sogar Materialien mit hoher Festigkeit, die spröde sind, neigen dazu, relativ wenig Energie zu absorbieren, bevor sie brechen. Ein lautes Knacken ist häufig zu hören, wenn etwas kaputt geht.

Es wird typischerweise für Materialien verwendet, die versagen, wenn vor dem Versagen nur wenig bis gar keine plastische Verformung auftritt, wenn es in der Materialforschung verwendet wird. Die gebrochenen Teile sollten perfekt zusammenpassen, da es keine plastische Verformung gegeben hat, was eine Möglichkeit ist, dies zu überprüfen.

In diesem Artikel werden folgende Fragen behandelt:

• Was ist Sprödigkeit?
• Sprödigkeit verschiedener Materialien
• Wie werden Materialien spröde?
• Wie wirkt sich Druck auf die Sprödigkeit aus?

Was ist Sprödigkeit?

Der Begriff „Sprödigkeit“ bezeichnet die Neigung eines Materials, unter Belastung zu brechen, sich vorher aber nur geringfügig zu verformen. Hohe Druckfestigkeit und geringe Zugfestigkeit sind Eigenschaften spröder Materialien, ebenso wie geringe Verformung, geringe Beständigkeit gegen Stöße und Vibrationen der Last und hohe Druckfestigkeit. Die meisten nichtmetallischen anorganischen Materialien sind zerbrechlich.

Unter Spannung wird ein Material als spröde bezeichnet, wenn es mit geringer elastischer Verformung und geringer oder keiner plastischen Verformung reißt. Sogar Materialien mit hoher Festigkeit, die spröde sind, neigen dazu, relativ wenig Energie zu absorbieren, bevor sie brechen. Ein lautes Knacken ist häufig zu hören, wenn etwas kaputt geht.

Es wird typischerweise für Materialien verwendet, die versagen, wenn vor dem Versagen nur wenig bis gar keine plastische Verformung auftritt, wenn es in der Materialforschung verwendet wird. Die gebrochenen Teile sollten perfekt zusammenpassen, da es keine plastische Verformung gegeben hat, was eine Möglichkeit ist, dies zu überprüfen.

Unterhalb einer Schwellentemperatur, die als Glasübergangstemperatur (Tg) oder Übergangstemperatur von duktil zu spröde (DBTT) bekannt ist, werden Metalle und Polymere spröde. Besonders wenn Kräfte auf den Körper einwirken, ist diese schnelle Änderung verheerend. Es wird beobachtet, dass das Bruchwachstum orthogonal zu den aufgebrachten Kräften ist, die durch Molekülkörner oder Korngrenzen gehen.

In diesem Fall beeinflusst die Temperatur die Molekularstruktur eines Materials so, dass es daran gehindert wird, seine Flexibilität beizubehalten, was zu Materialversagen führt. Im Allgemeinen versagen alle Materialien, wenn ihre Grenzen überschritten werden, Sprödigkeit bezieht sich jedoch auf die Tendenz eines Materials, zu versagen, bevor es seine Form oder Größe ändert.

Das Versagen spröder Materialien tritt unter zwei Umständen auf:Spannung, die auf die Materialoberfläche wirkt, und Umgebungstemperaturen unterhalb des Schmelzpunkts des Materials.

Sprödigkeit verschiedener Materialien

Die folgenden Materialien sind mit ihrem Grad an Sprödigkeit:

Polymere

Die mechanischen Eigenschaften von Polymeren sind anfällig für Temperaturschwankungen nahe der Raumtemperatur. Beispielsweise ist Poly(methylmethacrylat) bei 4 °C äußerst spröde, wird aber mit steigender Temperatur duktiler.

Amorphe Polymere sind solche, die unterschiedlich auf Temperaturänderungen reagieren. Bei niedrigen Temperaturen können sie sich wie Glas verhalten (die glasartige Zone), bei mittleren Temperaturen können sie sich wie ein gummiartiger Feststoff verhalten (die ledrige oder glasartige Übergangszone) und bei höheren Temperaturen können sie sich wie eine viskose Flüssigkeit verhalten (die gummiartige Zone). Strömung und viskoser Strömungsbereich).

Viskoelastisches Verhalten nennt man diesen Vorgang. Das amorphe Polymer ist in der Glaszone hart und spröde. Mit steigender Temperatur wird das Polymer weniger spröde.

Metalle

Einige Metalle weisen aufgrund ihrer Gleitsysteme spröde Eigenschaften auf. Metall ist um so weniger spröde, je mehr Gleitsysteme es hat, da mehrere dieser Gleitsysteme plastisch verformt werden können. Andererseits wird das Metall mit weniger Gleitsystemen spröder, da weniger plastische Verformung stattfinden kann. Zum Beispiel sind HCP-Metalle (hexagonal dicht gepackt) oft spröde und haben wenige aktive Gleitsysteme.

Keramik

Aufgrund der Schwierigkeit der Versetzungsbewegung oder des Gleitens sind Keramiken typischerweise spröde. Kristalline Keramiken haben eine begrenzte Anzahl von Gleitsystemen, was die Verformung schwierig macht und die Sprödigkeit der Keramik erhöht.

Ionenbindung ist typischerweise in keramischen Materialien vorhanden. Der Schlupf wird durch die elektrische Ladung der Ionen und ihre Anziehung zu anderen Ionen mit ähnlichen Ladungen weiter begrenzt.

Wie werden Materialien spröde?

Durch Vorspannen können Werkstoffe spröder oder weniger spröde gemacht werden. Ein Material hat typischerweise zwei Möglichkeiten, wenn es an die Grenze seiner Festigkeit stößt:Verformung oder Bruch. Indem die Mechanismen der plastischen Verformung verhindert werden, kann ein natürlich biegsames Metall stärker gemacht werden, aber wenn dies zu extrem gemacht wird, wird ein Bruch wahrscheinlicher und das Material kann spröde werden. Daher erfordert eine Erhöhung der Materialzähigkeit eine sorgfältige Auswuchtung.

Glas und andere von Natur aus zerbrechliche Materialien können effizient vorgespannt werden. Die meisten dieser Methoden verwenden einen von zwei Mechanismen:entweder um die Bruchspitze abzulenken oder zu absorbieren, wenn sie sich ausbreitet, oder um genau regulierte Restspannungen zu erzeugen, die Risse aus bestimmten bekannten Quellen zum Schließen bringen.

Verbundglas, das aus zwei Glasscheiben besteht, die durch eine Polyvinylbutyral-Zwischenschicht getrennt sind, verwendet das erste Prinzip. Als viskoelastisches Polymer nimmt Polyvinylbutyral den sich ausdehnenden Riss auf. Gehärtetes Glas und vorgespannter Beton verwenden beide die zweite Technik.

Prince Rupert’s Drop bietet eine Veranschaulichung der Glashärtung. Schlagfestes Polystyrol, auch bekannt als HIPS, ist ein gutes Beispiel dafür, wie spröde Polymere widerstandsfähiger gemacht werden können, indem Metallpartikel eingearbeitet werden, um Haarrisse zu verursachen, wenn eine Probe unter Druck gesetzt wird. Siliziumkarbid und umwandlungsgehärtetes Zirkonoxid sind die am wenigsten zerbrechlichen Strukturkeramiken.

Verbundwerkstoffe, bei denen beispielsweise spröde Glasfasern in ein dehnbares, matrixartiges Polyesterharz eingearbeitet sind, verfolgen eine eigene Philosophie. An der Glas-Matrix-Grenzfläche entstehen unter Spannung Risse, aber es gibt so viele davon, dass viel Energie absorbiert wird, was das Material haltbarer macht. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe werden nach der gleichen Grundidee hergestellt.

Wie wirkt sich Druck auf die Sprödigkeit aus?

Im Allgemeinen kann Druck verwendet werden, um die Sprödfestigkeit eines Materials zu erhöhen. Dies geschieht zum Beispiel in der spröd-duktilen Übergangszone in einer Tiefe von etwa 10 Kilometern (6,2 Meilen) in der Erdkruste, wo sich das Gestein eher duktil biegt und weniger bruchanfällig ist.

Häufig gestellte Fragen

Was sind Sprödigkeit und ihr Beispiel?

Nachdem sie über ihre Elastizitätsgrenze hinaus gedehnt wurden, beginnen spröde Materialien fast schnell zu brechen oder zu brechen, weil sie eine winzige plastische Zone haben. Zu spröden Materialien gehören Dinge wie Knochen, Gusseisen, Porzellan und Beton.

Was sind Duktilität und Sprödigkeit?

Während sich Sprödigkeit auf die Neigung eines Materials bezieht, zu brechen oder zu brechen, anstatt sich unter Zugdruck plastisch zu biegen, bezieht sich Duktilität auf die Fähigkeit eines festen Materials, dies zu tun.

Welche Arten von Sprödigkeit gibt es?

Transgranulare und intergranulare Brüche sind die beiden Hauptformen von Sprödbrüchen.

Ist Sprödigkeit eine Metalleigenschaft?

Keramik, Glas und kalte Metalle machen oft den Großteil der spröden Materialien aus. Die Sprödigkeit von Metallen hilft bei der Identifizierung der Schwellenkühltemperatur, bei der ein duktiles Material spröde wird.

Was ist ein sprödes Material?

Glas, Keramik, Graphit und einige Legierungen mit sehr geringer Plastizität sind Beispiele für spröde Materialien. In diesen Materialien können Risse ohne plastische Verformung beginnen und schnell zu einem Sprödbruch führen.

Zusammenfassung

Sprödigkeit ist eine wesentliche Eigenschaft, die bei der Auswahl von Materialien für ein Projekt berücksichtigt werden muss. Es bezeichnet die Tendenz eines Materials, unter Belastung zu brechen, sich aber vorher nur geringfügig zu verformen. Hohe Druckfestigkeit und geringe Zugfestigkeit sind Merkmale spröder Materialien, ebenso wie geringe Verformung, geringe Beständigkeit gegen Stöße und Vibrationen der Last und hohe Druckfestigkeit.

Das ist alles für diesen Artikel, in dem die Antworten auf die folgenden Fragen gegeben werden:

• Was ist Sprödigkeit?
• Sprödigkeit verschiedener Materialien
• Wie werden Materialien spröde?
• Wie wirkt sich Druck auf die Sprödigkeit aus?

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