Sprödigkeit von Materialien verstehen: Ursachen, Folgen und Prüfung

Was ist Sprödigkeit?

Ein Material wird als spröde bezeichnet, wenn es unter Spannung mit geringer elastischer Verformung und wenig oder keiner plastischen Verformung bricht. Selbst spröde Materialien mit hoher Festigkeit absorbieren vor dem Bruch relativ wenig Energie. Ein lautes Knacken ist oft beim Bruch zu hören.

In der Materialforschung wird der Begriff für Materialien verwendet, die versagen, wenn wenig bis keine plastische Verformung vor dem Versagen auftritt. Die Bruchstücke sollten perfekt zusammenpassen, da keine plastische Verformung stattgefunden hat – dies ist eine Möglichkeit zur Verifikation.

Unterhalb einer Schwellentemperatur, der Glasübergangstemperatur (Tg) oder der duktil-spröden Übergangstemperatur (DBTT), werden Metalle und Polymere spröde. Besonders wenn Kräfte auf den Körper einwirken, ist dieser schnelle Wechsel katastrophal. Man beobachtet, dass das Risswachstum orthogonal zu den angreifenden Kräften verläuft, die durch Molekularkörner oder Korngrenzen hindurchgehen.

Hier beeinflusst die Temperatur die molekulare Struktur so, dass sie ihre Flexibilität nicht aufrechterhalten kann, was zum Materialversagen führt. Generell versagen alle Materialien, wenn ihre Grenzen überschritten werden; Sprödigkeit bezieht sich jedoch auf die Tendenz eines Materials, vor einer Form- oder Größenänderung zu versagen.

Versagen spröder Materialien tritt unter zwei Umständen auf: Spannung auf der Materialoberfläche und Umgebungstemperaturen unter dem Schmelzpunkt des Materials.

Sprödigkeit bei verschiedenen Materialien

Polymere

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

Amorphe Polymere reagieren unterschiedlich auf Temperaturänderungen. Bei niedrigen Temperaturen verhalten sie sich wie Glas (gläserner Bereich), bei mittleren Temperaturen wie ein gummiartiger Festkörper (lederartiger oder Glasübergangsbereich), bei höheren Temperaturen wie eine zähflüssige Flüssigkeit (gummiartiger Fließ- und zähflüssiger Fließbereich).

Dieses Verhalten wird als viskoelastisch bezeichnet. Im gläsernen Bereich ist das amorphe Polymer hart und spröde. Mit steigender Temperatur wird das Polymer weniger spröde.

Metalle

Aufgrund ihrer Gleitsysteme weisen einige Metalle spröde Eigenschaften auf. Je mehr Gleitsysteme ein Metall hat, desto weniger spröde ist es, da mehrere dieser Systeme plastische Verformung durchlaufen können. Umgekehrt ist das Metall spröder, je weniger Gleitsysteme es hat, da weniger plastische Verformung stattfinden kann. Beispielsweise sind HCP-Metalle (hexagonal dichteste Packung) oft spröde und haben wenige aktive Gleitsysteme.

Keramiken

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

Ionische Bindungen sind in keramischen Materialien typisch. Das Gleiten wird durch die elektrische Ladung der Ionen und ihre Anziehung zu anderen Ionen gleicher Ladung weiter eingeschränkt.

Wie werden Materialien spröde?

Durch Zähigkeitserhöhung (Toughening) können Materialien spröder oder weniger spröde gemacht werden. Ein Material hat typischerweise zwei Optionen, wenn es seine Festigkeitsgrenze erreicht: Verformung oder Bruch. Durch Verhinderung der Mechanismen plastischer Verformung kann ein natürlich duktiles Metall stärker gemacht werden, aber wenn dies extrem betrieben wird, wird Bruch wahrscheinlicher und das Material kann spröde werden. Daher erfordert die Erhöhung der Materialzähigkeit sorgfältige Balance.

Glas und andere natürlich spröde Materialien können effizient gezähigt werden. Die meisten Methoden nutzen einen von zwei Mechanismen: entweder den Rissspitze bei der Ausbreitung abzulenken oder zu absorbieren, oder gezielt kontrollierte Eigenspannungen zu erzeugen, die Risse von bekannten Quellen zum Schließen treiben.

Verbundsicherheitsglas (zwei Glasscheiben mit Polyvinylbutyral-Zwischenschicht) nutzt das erste Prinzip. Polyvinylbutyral absorbiert als viskoelastisches Polymer den wachsenden Riss. Vorgespanntes Glas und vorgespannter Beton nutzen die zweite Technik.

Prince Rupert's Drop illustriert Glaszähigung. High-Impact-Polystyrol (HIPS) zeigt, wie spröde Polymere durch Einbringen von Metallpartikeln gezähigt werden können, die bei Belastung Risse (Crazes) erzeugen. Siliciumcarbid und transformationsgehärtetes Zirkonoxid sind die am wenigsten spröden Strukturkeramiken.

Verbundwerkstoffe, bei denen spröde Glasfasern in eine duktile Matrix wie Polyesterharz eingebettet sind, verfolgen eine andere Philosophie. An der Glas-Matrix-Grenzfläche entstehen unter Zug Risse, aber es sind so viele, dass viel Energie absorbiert wird, was das Material zäher macht. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe nutzen dasselbe Prinzip.

Einfluss von Druck auf Sprödigkeit

Generell kann Druck die spröde Festigkeit eines Materials erhöhen. Dies tritt beispielsweise in der spröde-duktilen Übergangszone in etwa 10 km Tiefe in der Erdkruste auf, wo Gestein eher duktil fließt und weniger geneigt ist zu brechen.

Häufige Fragen

Was sind Sprödigkeit und Beispiele?

Spröde Materialien versagen nach Überschreiten ihrer elastischen Grenze fast augenblicklich in Richtung Bruch, da sie eine kleine plastische Zone haben. Beispiele: Knochen, Gusseisen, Porzellan, Beton.

Was sind Duktilität und Sprödigkeit?

Während Sprödigkeit die Neigung eines Materials beschreibt, unter Zugspannung zu brechen statt sich plastisch zu verformen, bezeichnet Duktilität die Fähigkeit eines festen Materials, sich unter Zug plastisch zu verformen.

Welche Arten von Sprödigkeit gibt es?

Transkristalline und interkristalline Brüche sind die zwei Hauptformen spröder Brüche.

Ist Sprödigkeit eine Metalleigenschaft?

Keramiken, Glas und kalte Metalle bilden den Großteil spröder Materialien. Metallsprödigkeit hilft, die Schwellenkühltemperatur zu identifizieren, bei der ein duktiles Material spröde wird.

Was ist ein sprödes Material?

Glas, Keramik, Graphit und einige Legierungen mit sehr geringer Plastizität sind Beispiele. In diesen Materialien können Risse ohne plastische Verformung initiieren und schnell zu sprödem Bruch fortschreiten.

Zusammenfassung

Sprödigkeit ist eine wesentliche Eigenschaft bei der Materialauswahl für Projekte. Sie bezeichnet die Tendenz eines Materials, unter Spannung zu brechen, wobei es sich nur geringfügig verformt. Hohe Druckfestigkeit, niedrige Zugfestigkeit, geringe Verformung, schlechte Widerstandsfähigkeit gegen Stoß- und Vibrationslasten kennzeichnen spröde Materialien. Die meisten anorganischen Nichtmetalle sind spröde.