脆性の理解：定義、原因、例、一般的な材料

脆性とは

脆性とは、応力が加えられたときに、ほとんど塑性変形を伴わずに破壊する材料の傾向を表す特性です。材料中の原子が、原子格子構造の全体的な完全性を維持しながら互いに滑り越えることができないとき、脆性挙動が生じます。脆性材料の亀裂は、十分に高い応力が加わると、粒界を横切るか、または粒界に沿って急速に形成・伝播します。このプロセスは通常急速です。
誰でも一度は食器の皿や鉛筆の芯を落として割った経験があるでしょう。脆性材料の例には、ガラス、セラミックス、グラファイト、延性の低い合金（高炭素鋼、鋳鉄など）があります。
この記事では、脆性の概念を説明し、その原因を解明し、脆性材料の例を紹介します。

材料科学における脆性

材料科学での定義

材料科学では、脆性は最小限の塑性変形で破壊する材料の傾向を特徴づける特性です。脆性材料は破壊前にエネルギーを吸収する能力が低いです。

化学における脆性

化学では、脆性は原子微細構造により材料が変形できないことを指します。原子が多くの滑り系を持ち、転位する機会が多い微細構造では材料は脆性が低くなります。逆に、滑り系が少ない原子構造では材料がより脆くなります。

脆性の例

脆性は固有の特性である場合も、外部要因で誘発される場合もあります。本質的に脆性な材料には、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があります。本質的に脆性でないが、低温動作、粒界腐食、水素脆化などの要因で脆化する材料には、低炭素・高炭素鋼、チタンがあります。

材料の脆性が発生する条件

脆性は材料の集約的物理特性であり、材料の大きさや範囲の影響を受けません。ほとんどのセラミックスやガラスのように、原子構造と利用可能な滑り系の欠如により本質的に脆性な材料もありますが、通常延性のある材料も温度低下で脆くなることがあります。

通常延性のある材料も、水素や粒界沿いの腐食で脆化することがあります。水素脆化は、まだ完全には理解されていない多様な複雑なメカニズムで発生します。共通の特徴は、水素原子（H2 ガス分子ではない）が金属に拡散し、悪影響を及ぼすことです。有害な影響は、内部圧力を上昇させる気体種の形成、脆い固体化合物の形成、または転位移動速度の増加による亀裂伝播速度の増加によって引き起こされる可能性があります。

粒界腐食は、金属がその表面の弱点となり得る粒界で腐食性物質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、通常は延性のある金属に脆い腐食生成物が粒界に析出し、望ましくない脆い材料を通じた容易な破壊経路を提供する結果となります。

脆性の原因

脆性の原因は材料ごとに異なります。以下に一般的な原因を詳しく説明します：

1. 非晶質材料（ガラスなど）は組織化された原子構造を持ちません。原子が互いに滑り越える容易な方法がありません。結晶中の原子レベル欠陥である転位が固定され、非晶質材料を脆くします。
2. 帯電原子間の強いイオン結合が滑りを妨げ、材料を脆くします。これはセラミック材料でよく見られます。
3. 低温は材料内原子の熱エネルギーを低下させ、滑りと転位に対する抵抗を高めます。
4. 滑り系、すなわち原子転位の機会が少ない材料は、滑り系が多い材料より脆くなります。
5. 材料中の不純物、すなわち異種原子が脆性を引き起こすことがあります。これは水素脆化や、鋳鉄などの一部合金で見られます。

さまざまな脆性材料

以下に脆性材料の例を説明します：

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。非晶質構造のために脆いです。ガラスの原子レベル配列には結晶材料のような組織化された構造がありません。互いに滑り合う組織化された原子面がないため、原子を引き離そうとする応力を緩和できません。最終的に原子間結合の強度を超え、材料を急速に貫く亀裂が形成され、突然破断します。

2. セラミックス

セラミックスという用語は、セメント、エナメル、レンガ、磁器、陶器など広範な材料に適用されます。結晶化セラミックスでは、原子構造は主に帯電原子間の強いイオン結合で構成されます。これらのイオン結合が結晶を形成し、原子面が互いに滑り合うことをより困難にします。結果として原子の転位が困難になり、材料が脆くなります。

3. グラファイト

グラファイトは、六方最密充填（HCP）結晶構造を持つ軟らかく脆い炭素の結晶形態です。脆性は、特定材料の結晶構造とその構造が持つ滑り系の数に起因します。滑り系が少ない結晶構造を持つ材料は、原子が転位により抵抗的であるためより脆くなります。グラファイトの HCP 構造は 3 つの滑り系を持ちますが、別の炭素同素体であるダイヤモンドの面心立方（FCC）構造は 12 の滑り系を持ちます。さらに、グラファイトは同一面内の原子間に強い共有結合を持ちますが、面間の結合は弱いです。これと HCP 構造の両方がグラファイトの脆性に寄与します。

4. 低延性合金

鋳鉄やチタンなどの低延性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。例えば、銅のように FCC 構造を持つ材料は、チタンやマグネシウムのように HCP 構造を持つ材料より延性があります。FCC 構造は 12 の滑り系を持ちますが、HCP 構造は 3 つしかありません。3 つの滑り系しかないため、HCP 構造はその構造内の原子が転位により抵抗的であるためより脆くなります。

脆性の特定の重要性

脆性材料を特定することは、設計の成功実装と耐久性への影響があるため重要です。脆性材料は高強度のために設計で選ばれることが多いです。しかし、脆性材料はほとんど警告なしに破壊する可能性があるため、脆性破壊は壊滅的となり得ます。脆性材料が必要とする荷重を維持できるより延性のある材料を設計で選択することを推奨します。

脆性の測定方法

脆性は引張試験を実施し、材料の延性を計算することで判定されます。材料が引張試験で低延性を示す場合、脆性があると見なされます。金属材料の引張試験標準試験法は ASTM E8 です。プラスチックの対応手順は ASTM D638 にあります。引張試験は、標準化された寸法の試験片を準備し、試験片が破断するまで一定に増加する引張荷重をかけることで構成されます。試験片が経験した応力とひずみの値が記録され、延性と間接的に脆性を決定するために使用されます。

脆性の式

脆性専用の式はありません。しかし、以下の 2 つの延性式のいずれかから材料の脆性を推測できます：

延性は、試験開始から破断までの材料の全伸びの割合、または破断時の材料の断面積減少の対応する割合として定義されます。

測定された延性が低いほど、材料はより脆性と見なされます。伸び率の式はエンジニアリングひずみの式と同じです。
詳細については「延性の計算方法」を参照してください。

脆性の種類

脆性破壊には貫入粒（トランスグレイン）と粒界（インターグレイン）の 2 種類があります。以下に詳しく説明します：

1. 貫入粒：亀裂が材料の粒を横切って伝播します。亀裂は最小抵抗経路をたどり、最も弱い劈開面に沿って方向を変えます。大きな粒径（少ない粒界）は粒界が亀裂延伸を阻害するため、亀裂がより速く伝播することを可能にします。したがって、大きな粒径はより高い脆性に寄与します。
2. 粒界：亀裂が材料の粒界に沿って伝播します。これは粒界が脆い場合に一般的で、水素脆化と粒界腐食が原因となります。

脆性の反対概念

延性は脆性の反対と見なされます。延性は材料の塑性変形能力を表す特性です。破壊力学と延性 vs 脆性材料の役割を理解することは、安全で効果的、耐久性のある部品と構造を設計する上で不可欠です。

脆性は物理的特性か？

はい、脆性は物理的特性です。応力が加えられたとき、材料の物理構造内の原子が互いにどう相互作用するかを特徴づけます。

「脆い」と「もろい」の違い

「脆い」ともろいはしばしば同義語として使用されます。しかし、定義には違いがあります。「もろい」は単に簡単に壊れる材料を表します。「脆い」も簡単に壊れる材料を表しますが、より具体的には、硬く剛性があり、破断前に有意な塑性変形を伴わない材料を指します。材料科学では「脆い」はより具体的に定義され、延性の欠如、すなわち最小限の変形で材料が破壊することを示します。「もろい」はより広い用語で、技術的に脆性でなくても簡単に損傷する材料を表すことができます。

まとめ

この記事では脆性を紹介し、その概要とさまざまな脆性材料のタイプについて説明しました。脆性についてさらに知りたい場合は、Xometry 担当者にお問い合わせください。

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Dean McClements
Dean McClements は機械工学の B.Eng Honors 卒業で、製造業界で 20 年以上の経験を持ちます。Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を務め、エンジニアリング プロセスとイノベーションへの深い理解を培いました。
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