Введение
Хрупкость при разрушении под воздействием напряжения без значительной пластической деформации
Материал считается хрупким, если при воздействии напряжения он разрушается с незначительной упругой деформацией и без значительной пластической деформации. Хрупкие материалы поглощают относительно мало энергии перед разрушением, даже обладая высокой прочностью. Разрушение часто сопровождается резким щелчком или треском. В материаловедении этот термин обычно применяется к материалам, которые разрушаются при минимальной или отсутствии пластической деформации перед разрушением. Одним из доказательств хрупкости является то, что сломанные части при совмещении должны точно соответствовать друг другу, поскольку пластической деформации не произошло.
Полимеры
Механические характеристики полимеров могут быть чувствительны к изменениям температуры вблизи комнатной температуры. Например, поли(метилметакрилат) чрезвычайно хрупок при температуре 4 °C, но становится более пластичным с повышением температуры. Аморфные полимеры – это полимеры, которые могут проявлять различное поведение при разных температурах. При низких температурах они ведут себя как стекло (стекловидное состояние), при умеренных температурах – как резиноподобное твердое тело (кожеобразное или область стеклования), а при более высоких температурах – как вязкая жидкость (область резинотекучести и вязкого течения). Такое поведение известно как вискоэластичность. В стекловидном состоянии аморфный полимер является жестким и хрупким. С повышением температуры полимер становится менее хрупким.
Металлы
Некоторые металлы проявляют хрупкость из-за своей системы скольжения. Чем больше систем скольжения имеет металл, тем он менее хрупок, поскольку пластическая деформация может происходить по многим из этих систем. И наоборот, при меньшем количестве систем скольжения пластическая деформация ограничена, и металл становится более хрупким. Например, металлы с гексагональной плотной упаковкой (ГПУ) имеют мало активных систем скольжения и, как правило, хрупки.
Керамика
Керамика обычно хрупка из-за затрудненного движения дислокаций, или скольжения. В кристаллических керамиках существует мало систем скольжения, по которым дислокация может перемещаться, что затрудняет деформацию и делает керамику более хрупкой. Керамические материалы обычно характеризуются ионной связью. Из-за электрического заряда ионов и отталкивания одноименно заряженных ионов скольжение еще больше ограничено.
Замена хрупких материалов
Материалы можно изменить, чтобы они стали более хрупкими или менее хрупкими.
Ужесточение
Когда материал достигает предела прочности, обычно возможны деформация или разрушение. Естественно пластичный металл можно упрочнить, затрудняя механизмы пластической деформации (уменьшение размера зерна, упрочнение дисперсионным затвердеванием, упрочнение деформацией и т.д.), но при чрезмерном усилии разрушение становится более вероятным, и материал может стать хрупким. Поэтому повышение вязкости разрушения материала – это поиск баланса. Естественно хрупкие материалы, такие как стекло, несложно эффективно упрочнить. Большинство таких методов основаны на одном из двух механизмов: отклонение или поглощение вершины растущей трещины, либо создание тщательно контролируемых остаточных напряжений, чтобы трещины из определенных предсказуемых источников закрывались. Первый принцип используется в ламинированном стекле, где два листа стекла разделены слоем поливинилбутираля. Поливинилбутираль, являясь вязкоупругим полимером, поглощает растущую трещину. Второй метод применяется в закаленном стекле и предварительно напряженном бетоне. Наглядно продемонстрировать упрочнение стекла можно на примере «Капли принца Руперта». Хрупкие полимеры можно упрочнить, используя металлические частицы для инициирования микротрещин при нагружении образца, хорошим примером является ударопрочный полистирол или HIPS. К наименее хрупким конструкционным керамикам относятся карбид кремния (в основном благодаря его высокой прочности) и цирконий, упрочненный фазовым переходом. В композитных материалах используется иная философия: например, хрупкие стеклянные волокна внедряются в пластичную матрицу, такую как полиэфирная смола. При деформации на границе стекло-матрица образуются трещины, но их количество настолько велико, что поглощается много энергии, тем самым повышая вязкость разрушения материала. Тот же принцип используется при создании композитов с металлической матрицей.
Влияние давления
Как правило, прочность материала на разрушение по хрупкому типу может быть увеличена давлением. Это происходит, например, в зоне хрупко-пластичного перехода на приблизительной глубине в земной коре, где горная порода становится менее склонной к образованию трещин и более склонной к пластической деформации (см. реид).
Разрыв
Сверхзвуковый излом — это движение трещины со скоростью, превышающей скорость звука в хрупком материале. Это явление было впервые обнаружено учеными из Института исследования металлов им. Макса Планка в Штутгарте (Маркус Дж. Бюлер и Хуацзянь Гао) и Исследовательского центра IBM Almaden в Сан-Хосе, Калифорния (Фарид Ф. Абрахам).