Törékenység

A szilárd anyag van törékeny , ha törések, amint annak rugalmassági határ elérésekor. A ridegség szemben áll a hajlékonysággal . A törékenyeket nem szabad összetéveszteni az alacsony szívóssággal, ami azt jelenti, hogy az anyag alig ellenáll a repedések terjedésének .

A jelenlegi használatban és különösen a kohászatban törékeny anyagról beszélünk, ha a törésnél alacsony a feszültség, alacsony a szívóssága és a törési energiája alacsony. Valójában, amikor a törékeny-képlékeny átmeneti hőmérsékletet átlépik , a törésnyújtás, a szívósság és a törési energia együttesen csökken. De nem tudjuk általánosítani az elképzelést minden anyagra: az egyik anyagnak nagyon alacsony lehet a szilárdsága, de nagyobb a törési energiája, mint a másiknak. Még a fémek esetében sem érvényesül a hajlékonyság / szívósság viszony: az arany az egyik leginkább hajlékony fém, de sokkal kevésbé szívós, mint a legtöbb acél.

Törékenység, szívósság és feltörő energia

Ha a szívósság Ashby-diagramját nézzük , akkor teljesen egyértelmű, hogy a legtartóbb anyagok a képlékeny fémek. Ennek ellenére körülbelül 10 MPa. vannak mind műszaki kerámiák, mind közönséges fémek. Mindazonáltal igaz, hogy a kerámiák, törékeny anyagok túlnyomó többsége alacsony szívóssággal és alacsony törési energiával rendelkezik, és sok képlékeny fém nagy szívóssággal és nagy törési energiával rendelkezik. A mindennapi nyelvben ezért a törékenység és az alacsony szívósság gyakran társul. Az új, nagy szilárdsággal rendelkező törékeny anyagok kifejlesztése azonban azt jelenti, hogy különbséget kell tenni a hajlékony és a kitartó anyagok között. Abban az időben, amikor kevés törékeny, de szívós anyag létezett, kialakult a törésmechanika és ebben a mechanikában az az elképzelés, hogy a törékeny törési mód törésmód, képlékeny deformáció nélkül. A törékeny törést leíró folytonos közegek mechanikájának modellegyenleteiben a szívósság értéke nem számít. A törékeny törésmodell képlékeny deformáció nélküli, a szívósságtól és a törési energiától függetlenül. ${\ displaystyle {\ sqrt {m}}}$

Bár igaz, hogy a kohászatban gyakran beszélünk, amikor egy anyag szívóssága csökken (hőkezeléssel vagy más módon) az „elkeseredésről”, amikor „rideg viselkedésről” beszélünk, plasztikai deformáció nélküli meghibásodásra utalunk, nem akármennyi energiába is kerül.

Például az olyan anyagok, mint a karbidok (volfrám-karbidok), viszonylag kemények (a volfrám-karbid tízszer keményebb, mint az üveg), de nyilvánvalóan egyáltalán nem képlékeny : szobahőmérsékleten nem deformálódhatnak tartósan. Törékenyek. A keményfémötvözetek megközelíthetik a 20 MPa-t. szívósságban, míg az ólom (a képlékeny anyag archetípusa) fájdalmasan eléri a 15 MPa-t. . Ón-ólom ötvözetek szilárdsága kevesebb, mint 5 MPa. , képlékenyek (több% plasztikus deformáció a repedés előtt), de kevésbé szívós, mint a legtöbb törékeny műszaki alumínium-oxid (repedéskor nincs plasztikai deformáció). ${\ displaystyle {\ sqrt {m}}}$ ${\ displaystyle {\ sqrt {m}}}$ ${\ displaystyle {\ sqrt {m}}}$

A szilikátüvegek szobahőmérsékleten törékenyek. Minden plaszticitás nélkül, tiszta rugalmasságban törnek össze. Tartósságuk kevesebb, mint 1 MPa. . A normál üvegüveg, még hőkezeléssel is, ritkán haladja meg a = 120 MPa törési feszültséget . A Young-modulusa nagyságrendű E = 70 GPa, ez adja a tárolt mechanikai energia szakadásához sorrendben: ${\ displaystyle {\ sqrt {m}}}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {R}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ sigma _ {R} ^ {2}} {2E}}}$ ${\ displaystyle \ sim 103 \ kJ.m ^ {- 3}}$

Ennek ellenére egy optikai szál, amelynek szinte nincs felületi hibája, elérheti a 12 GPa nagyságrendű törésfeszültséget, vagyis a mechanikai energiát a törés nagyságrendjében kb . ${\ displaystyle 1 \ GJ.m ^ {- 3}}$

Ezzel szemben a széles körben használt 316L acél képlékeny. A repedés előtt akár 40% -os képlékeny alakváltozást is tolerál, 200 MPa-nál nagyobb szívóssággal. . Egy anyag archetípusa arra utal, hogy a szívós és a hajlékony ekvivalensek. Ennek ellenére a repedés előtti maximális feszültség 490 MPa nagyságrendű, majdnem 25-ször kisebb, mint egy üvegszál, és tízszer kisebb, mint egy vegyileg edzett üveg (okostelefon képernyője). Ez az optikai szál nagyságrendjéhez képest ötszörös, vagy ötször kisebb energiához vezet . ${\ displaystyle {\ sqrt {m}}}$ ${\ displaystyle 0.2 \ GJ.m ^ {- 3}}$

Ezért egyértelműen meg kell különböztetni a szívósság, a mechanikai ellenállás , a törésenergia és a törékenység fogalmát . Hasonlóképpen meg kell különböztetnünk a rugalmasságot és a törékenységet. Jegyezzük meg G. Charpy saját szavait: „A bevágott mintákon végzett vizsgálatok nem törékeny töréstesztek. Csak egy teszt teszi lehetővé a magas vagy alacsony ellenálló képességű fémek besorolását ”.

A Charpy-ütéshajlítási teszt ezért azt méri, hogy az anyagnak alacsony-e a dinamikus törésenergiája ( K C (tévesen " rugalmasságnak " nevezik )), és nem annak ridegségével.

Törésfácies

Törékeny törésfáciesek (üveg); az üveg amorf, a fácies sima, de ívelt, nem mutat semmilyen fazont.
Törékeny anyag törött mintája (öntöttvas)

A deformációban mutatkozó viselkedés szempontjából egy törékeny anyag elszakad a rugalmas tartományban, nem képlékeny . Ezért van egy meghibásodásunk , amelynek sima felülete van,

ami amorf anyag esetén megmaradt (nem sík) ;
amely sima oldalakból áll, ha az anyag kristályos , vagy ezek a szemcsehatárok ( szemcsék közötti törékenység), vagy pedig a kristály sűrű síkjai ( hasítás ).

A törékeny anyagot könnyedén meg lehet különböztetni a képlékeny anyagtól, ha törik. Törékeny anyag esetén, amikor a darabokat „összeragasztjuk”, az eredeti szerkezetet találjuk, nem deformálódva (a váza, amelyet a házban futballozás közben eltörtünk). Rugalmas anyag esetében szinte a deformálódott szerkezetet találjuk, közvetlenül a meghibásodás előtt.

Frailty értékelés

A törékenység értékelhető:

egy egytengelyű szakító vizsgálat: a tipikus görbe törés nélkül inflexiós (jellemzően üveg és sok kerámia), vagy egy flexiós jelölést a kezdetét a romlás, majd törés (tipikusan olvadó); a próbatest nem mutat semmilyen sztrikciót, a fácies a fent leírtakkal megegyezik, és az A% törésbeli nyúlás nulla;
hajlító próbával, ahol azonos típusú görbéket találunk. Egy törékeny anyag esetében az erőgörbe a kitérés függvényében lineáris, egészen a meghibásodásig, de egy alakítható anyagnál nem.

A gyengeség számszerűsítésére többféle módszer létezik. A " Brittleness index" bevezetésre került az irodalomban. Ezen indexek egyike a Vickers keménysége és a szívósság aránya nyitott módban. A kemény anyag olyan anyag, amely kevéssé fejleszti a képlékeny alakváltozást. Ha ráadásul nem túl szívós, akkor magas a törékenységi indexe.

A gyengeséget befolyásoló tényezők

A törékenység vagy a szívósság nemcsak az atomok közötti kötőerőktől függ , hanem az energiaeloszlás lehetséges jelenségeinek hozzájárulásától is: plaszticitás , mikrorepedések , fázisváltozás , dinamikus átkristályosítás ... amelyek jelentősen növekszenek, makacsul anyagok, a domén térfogata, ahol a repedés csúcsán az atomi kötések a legnagyobb húzófeszültség támogatásával szembeszállnak annak progressziójával .

Ezért különösen a hőmérséklet és a szűrési sebesség vesz részt . Különösen :

sok anyag törékeny a " rideg-képlékeny átmeneti hőmérséklet " nevű hőmérséklet alatt ;
egyes anyagok alacsony alakváltozási sebesség mellett nem nagyon hajlékonyak, nagy sebességnél pedig nagyon dinamikusak (dinamikus átkristályosítás);
néhány anyag törékeny, nagy igénybevétel mellett, de "pépes" nagyon alacsony; ez a helyzet például, a kőzetekben, amelyeket általában törékeny, de amelyek a rátekintési jelenség konvekciós a földköpeny .

Az energia képlékeny alakváltozással történő eloszlását illetően az első kritérium a von Mises-kritérium, amely azt jelzi, hogy egy kristályos anyag önmagában törékeny, ha 5-nél kevesebb csúszási móddal rendelkezik (csúszó sík-csúszó irány, lásd Dislocation ). A szemcsék közötti ridegség olyan idegen atomok jelenlétéből adódhat, amelyek szétválnak a szemcsehatárokon, például foszfor vagy kén az acélban . Általában egy kristályos anyag annál kevésbé törékeny, annál tisztább. A szemcsehatárok erősíthetők ötvöző elemek hozzáadásával a szennyeződések megfogásához, vagy a szemcsehatárok megerősítéséhez azok szétválasztásával ( bór ). A hidrogén szintén gyengítő elem; a fémek olvadás alatti gáztalanítása ezért elengedhetetlen.

A törékenység a környezettel való reakcióból is származhat. Különösen a víz, merülés vagy a levegő nedvességtartalma esetén reagálhat a fémmel, és hidrogént termel, amely gyengíti a fémet.

A mechanikai ellenállás egy próbadarab terhelés alatt van a maximális feszültség R m támogatja a mintát a törés előtti. A szívóssággal ellentétben, amely egy belső mennyiség , a mechanikai ellenállás az atomi kötések erőin túl magában foglalja a próbadarab alakját és méreteit, felületi állapotát és a feszültség típusát is. Például megfigyelhető, hogy a frissen húzott üvegszálak mechanikai szilárdsága körülbelül százszor nagyobb, mint ugyanazon üveg közös tárgyaié, amelyeken többször is koptak . A törékeny anyagokból készült tárgyak mechanikai ellenállása javul, ha hőkezeléssel vagy kémiai kezeléssel felületi összenyomásos előfeszítéseket vezetnek be .

Végül emlékeztetni kell arra, hogy az üvegszálakat, jellemzően törékeny anyagokat, általában sok polimer, valamint cement megerősítésére használják .

Megjegyzések és hivatkozások

Jean-Clanude Charmet, szilárd anyagok és anyagok mechanikája, rugalmasság-plaszticitás-szakadás, az ENSPCI tanfolyama ( olvasható online ) , p. 4. fejezet, p. 73., Bevezetés.
(a) Colin Barras, „ gyöngyház utánozzák legkeményebb kerámia elveszett ” , NewScientist ,2008( online olvasás )
(in) JJ Lewandowski, Shazly úr, A. Shamimi Nouri, " Fémes üvegek belső és külső keményítése " , Scripta Materialia ,2006, P. 54. évfolyam, 3. szám, 337-341. Oldal
" Anyagtudományi természetesen az École des Mines d'Albi-Carmaux. » , A https://nte.mines-albi.fr/ oldalon
" A kőzetek mechanikai viselkedése "
Dr. B. JACQUOT, "Az odontológiában használt biológiai anyagok mechanikai tulajdonságai "
(in) M. Karimi, UU Gomes Oliveira képviselő, RDS Guimarães Mello Jr és MMB Mr. Filgueira, " Magas nyomáson és magas hőmérsékleten szinterelt WC-10 tömeg% Co Hardmetal törésállóságának értékelése " , magas nyomású kutatás ,2016, P. 56–59 ( online olvasás )
(in) KSSiow, M. Manoharan, " Vegyes üzemmódú törésállóság az ólom-ón és ón-ezüst forrasztási hézagban nikkelezett szubsztráttal " , Anyagtudomány és technika: A ,2005, P. 404. évfolyam, 1–2. Szám 244–250
„ Hőkezelt biztonsági üvegezés ” , a https://fr.saint-gobain-building-glass.com oldalon
(in) C. Kurkjian, " Történelmi áttekintés és legfrissebb eredmények: 30 év szilícium-dioxid üvegszál megbízhatóság " , Proceedings 4940. évfolyam , Optikai szálas alkatrészek, eszközök, rendszerek és hálózatok megbízhatósága; ,2003( online olvasás )
G. Pluvinage, " A Charpy tesztelésének egy évszázada: A töréssel szembeni ellenállástól a rovátkás törésmechanikáig ", Mécanique & Industries ,2003, P. 4. kötet, 3. szám, 197–212. Oldal ( online )
GR ANSTIS , P. CHANTIKUL , BR LAWN és DB MARSHALL , „ A törésállóság mérésére szolgáló behúzási technikák kritikus értékelése: I., közvetlen repedésmérések ”, Journal of the American Ceramic Society , vol. 64, n o 9,1981. szeptember, P. 533-538 ( ISSN 0002-7820 és 1551-2916 , DOI 10.1111 / j.1151-2916.1981.tb10320.x , olvasható online , elérhető április 25, 2020 )

Ne keverje össze

Nem szabad összetévesztenünk a törékenységet és a kiszolgáltatottságot : a törékenység gyakran a sérülékenység súlyosbító körülménye.