脆性の理解:定義、原因、例、および一般的な材料

脆性は、応力が加わったときに塑性変形をほとんどまたはまったく起こさずに破壊する傾向を表す材料特性です。脆性挙動は、原子格子構造の全体的な完全性を維持しながら、材料内の原子が互いにすり抜けられない場合に発生します。脆性材料の亀裂は、十分に高い応力を受けると、粒子全体または粒子境界に沿って形成され、急速に伝播します。通常、このプロセスは迅速に行われます。
ディナープレートや鉛筆の先を落として割ったことがある人なら、脆い材料についてよく知っています。脆性材料の例には、ガラス、セラミック、グラファイト、および炭素含有量の高い鋼や鋳鉄などの延性の低い合金が含まれます。
この記事では、脆性の概念を見直し、その原因を説明し、脆性材料の例について説明します。

脆性とは何ですか?

脆性とは、材料が簡単に壊れたり、ひび割れたり、折れたりする傾向のことです。脆性は、金属、セラミック、プラスチック、ガラス、複合材料で発生する可能性があります。

材料科学における脆性とは何ですか?

材料科学において、脆性とは、最小限の塑性変形で破壊する材料の傾向を特徴付ける特性です。脆い材料は、破壊する前にエネルギーを吸収する能力が低くなります。

化学における脆性とは何ですか?

化学において、脆性とは、原子の微細構造により材料が変形できないことを指します。原子が多くの滑りシステムを持ち、転位する機会が多い一部の微細構造では、材料が脆くなりにくくなります。原子に滑りシステムがほとんどないものなど、材料がより脆くなるものもあります。

脆さの例は何ですか?

脆さは生来の性質である場合もあれば、外部要因によって引き起こされる場合もあります。本質的に脆い材料には、ガラス、レンガ、卵の殻、グラファイト、マグネシウムなどのアルカリ金属などがあります。本質的に脆くないが、低温動作温度、粒界腐食、水素脆化などの特定の要因によって脆化する材料には、低炭素鋼および高炭素鋼、チタンが含まれます。

材料の脆化はいつ発生しますか?

脆性は材料の強力な物理的特性であり、材料のサイズや程度には影響されません。ほとんどのセラミックやガラスなどの一部の材料は、原子構造や利用可能な滑りシステムの欠如により本質的に脆くなっていますが、通常は延性のある一部の材料でも、温度が低下すると脆くなる可能性があります。

通常、延性材料は水素や粒界に沿った腐食によっても脆化する可能性があります。水素脆化は、まだ完全には理解されていないさまざまな複雑なメカニズムを介して発生します。共通の特徴は、水素原子 (H2 ガスの分子ではない) が金属内に拡散し、大惨事を引き起こすことです。有害な影響は、内圧を上昇させるガス種の形成、脆い固体化合物の形成、または転位の移動速度の増大によって金属内での亀裂の伝播速度が増加することによって引き起こされる可能性があります。

粒界腐食は、金属の表面上の弱点となる部分、つまり粒子間の境界が腐食剤によって優先的に攻撃されるときに発生します。粒界腐食は通常、粒子間に脆性腐食生成物を堆積させ、通常は延性のある金属を置き換え、不要な脆性材料を通る容易な破壊経路を提供します。

脆さの原因は何ですか?

脆性の原因は、すべての材料で同じではありません。以下のリストでは、一般的な原因のいくつかをさらに詳しく説明します。

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アモルファス材料 (ガラスなど) は、組織化された原子構造を持ちません。原子が互いにすり抜けていく簡単な方法はありません。結晶内の原子レベルの欠陥である転位は所定の位置に固定され、アモルファス材料を脆くします。

荷電原子間の強力なイオン結合により滑りが妨げられ、材料が脆くなります。これはセラミック材料の場合によく起こります。

低温により、材料内の原子の熱エネルギーが減少し、滑りや転位に対する耐性が高まります。

滑りシステム、つまり原子の転位の可能性が少ない材料は、滑りシステムが多い材料よりも脆くなります。

材料内の不純物または外来原子は脆性を引き起こす可能性があります。これは、水素脆化や鋳鉄などの一部の合金の場合に当てはまります。

脆性材料とは何ですか?

脆性材料の例をいくつか以下に示します。

1.ガラス

ガラスは最もよく知られた脆性材料の 1 つです。アモルファス構造のため脆いです。ガラスの原子レベルの配置には、結晶材料の組織化された構造が欠けています。互いに滑り合うことができる組織化された原子面がなければ、原子を互いに引き離そうとする応力を軽減することはできません。最終的には原子間結合の強度を超え、その結果、亀裂が形成され、材料内に急速に広がり、突然の分解を引き起こします。

2.セラミックス

セラミックスという用語は、セメント、ホーロー、レンガ、磁器、陶器などの幅広い材料を指します。結晶化セラミックの場合、原子構造は主に荷電原子間の強いイオン結合で構成されています。これらのイオン結合は結晶を形成し、原子面が互いに滑りにくくなります。その結果、原子が転位しにくくなり、材料が脆くなります。

3.グラファイト

グラファイトは、六方最密 (HCP) 結晶構造を持つ、柔らかく脆い炭素の結晶形です。脆さは、特定の材料の結晶構造とその構造が持つ滑りシステムの数に起因する可能性があります。滑り系が少ない結晶構造を持つ材料は、原子が転位しにくいため、より脆くなります。グラファイトの HCP 構造には 3 つの滑りシステムがありますが、別の炭素同素体であるダイヤモンドの面心立方 (FCC) システムには 12 の滑りシステムがあります。さらに、グラファイトは、同じ平面内の原子間には強い共有結合を持っていますが、平面間の結合は弱いです。これとその HCP 構造の両方が、グラファイトが脆くなる原因となります。

4.可塑性の低い合金

鋳鉄やチタンなどの可塑性の低い合金も脆性材料の例です。結晶構造は合金の脆性に大きな影響を与えます。たとえば、銅などの FCC 構造を有する材料は、チタンやマグネシウムなどの HCP 構造を有する材料よりも延性が高くなります。 FCC 構造には 12 のスリップ システムがありますが、HCP 構造には 3 つのスリップ システムしかありません。 3 つの滑りシステムがあると、構造内の原子が転位しにくくなるため、HCP 構造がより脆くなります。

脆性を特定することの重要性は何ですか?

脆性材料は設計の実装の成功と耐久性に影響を与える可能性があるため、脆性材料を特定することが重要です。脆性材料は、強度が高いため、設計によく選択されます。ただし、脆性材料はほとんど、またはまったく前兆なく破壊する可能性があるため、脆性破壊は致命的な結果をもたらす可能性があります。設計では脆性材料に必要な荷重に耐えられる延性の高い材料を選択することをお勧めします。

脆性はどのように判断されるのですか?

脆性は、引張試験を完了し、材料の延性を計算することによって決定されます。引張試験中に材料の延性が低い場合、その材料は脆いと考えられます。金属材料の引張試験を行うための標準試験方法は ASTM E8 です。プラスチックに対応する手順は ASTM D638 に記載されています。引張試験では、試験片を標準寸法に合わせて準備し、試験片が破断するまで継続的に増加する引張荷重を加えます。試験片が受ける応力とひずみの値は記録され、延性と間接的に脆性を判断するために使用されます。

脆性の計算式は何ですか?

脆性を特定する公式はありません。ただし、材料の脆さは、以下に示す 2 つの延性公式のいずれかから推定できます。

延性は、試験の開始から破断までに材料が受ける総伸びのパーセンテージ、または破断時に材料が受ける断面積の対応する減少パーセンテージとして定義されます。

測定された延性が低いほど、材料は脆弱であると考えられます。伸び率の式は工学的ひずみの式と同じです。
記事「延性の計算方法」を参照してください。延性のトピックのより詳細な概要については、こちらをご覧ください。 

脆性にはどのような種類がありますか?

脆性破壊には粒内破壊と粒界破壊の 2 種類があります。以下で詳しく説明します。

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粒内:亀裂は材料の粒子全体に広がります。亀裂は最も抵抗の少ない経路をたどり、最も弱い劈開面に沿って方向を変えます。粒径が大きい（粒界が少ない）と、粒界が亀裂の伸展を妨げるため、亀裂がより早く伝播します。したがって、粒径が大きいと、より高いレベルの脆性が生じます。

粒間:亀裂は材料の粒界に沿って伝播します。これは、水素脆化と粒界腐食が原因で粒界が脆くなっている場合によく発生します。

脆さの反対は何ですか?

延性は脆性の反対であると考えられています。延性は、材料の塑性変形能力を表す材料特性です。破壊力学と延性材料と脆性材料の役割を理解することは、安全で効果的で耐久性のある部品や構造を設計するために不可欠です。

脆さは物理的特性ですか?

はい、脆さは物理的な特性です。これは、応力が加えられたときに材料の物理構造内の原子がどのように相互作用するかを特徴づけます。

「壊れやすい」と「脆い」の違いは何ですか?

「壊れやすい」と「脆い」は同義語としてよく使われます。ただし、それらの定義には違いがあります。 「壊れやすい」とは、簡単に壊れやすい素材を指します。 「脆い」とは、壊れやすい材料のことも指しますが、より具体的には、硬く、剛性があり、壊れる前に大きな塑性変形が見られない材料を指します。材料科学における「脆性」は、延性の欠如、つまり最小限の変形で材料が破壊されることを意味するため、より具体的に定義されます。 「壊れやすい」という言葉はより広い意味であり、技術的には脆くないものの、それでも簡単に損傷してしまう素材を指します。

概要

この記事では、脆性について紹介し、それが何であるかを説明し、さまざまな種類の脆性材料について説明しました。脆性の詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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