材料の脆さを理解する：原因、影響、試験方法

応力下で、わずかな弾性変形と塑性変形なし（または極僅か）で破断する材料を「脆性」と呼びます。高強度であっても脆性材料は、破壊前の吸収エネルギーが比較的小さいです。破断時には大きな破裂音が伴うことがよくあります。

材料研究では、破壊前にほとんど塑性変形を示さない材料を指してこの用語を用います。塑性変形がないため、破断片同士が完全に嵌合することは、脆性破壊を確認する一つの方法です。

本記事では、以下の疑問について解説します。

• 脆性とは？
• 様々な材料における脆性
• 材料が脆性化するメカニズム
• 圧力が脆性に与える影響

脆性とは？

「脆性」とは、応力下で破断するが、破断前にわずかにしか変形しない材料の傾向を指します。脆性材料の特徴は、高圧縮強度と低引張強度、わずかな変形、衝撃・振動荷重への弱い抵抗、高圧縮強度です。ほとんどの非金属無機材料は脆性です。

応力下で、わずかな弾性変形と塑性変形なし（または極僅か）で破断する材料を脆性と呼びます。高強度であっても脆性材料は、破壊前の吸収エネルギーが比較的小さいです。破断時には大きな破裂音が伴うことがよくあります。

材料研究では、破壊前にほとんど塑性変形を示さない材料を指してこの用語を用います。塑性変形がないため、破断片同士が完全に嵌合することは、脆性破壊を確認する一つの方法です。

ガラス転移温度（Tg）または延性-脆性転移温度（DBTT）と呼ばれる閾値温度以下では、金属とポリマーは脆性化します。特に力が物体に作用している際のこの急激な変化は破滅的です。破壊進展は、分子粒や粒界を貫く印加力に直交する方向で観察されます。

この場合、温度が材料の分子構造に影響を与え、柔軟性を維持できなくなることで材料破壊に至ります。一般に全ての材料は限界を超えれば破壊しますが、脆性とは、形状やサイズが変化する前に破壊する傾向を指します。

脆性材料の破壊は、材料表面に作用する応力と、材料融点以下の周囲温度という2条件下で起こります。

様々な材料における脆性

ポリマー

ポリマーの力学特性は、室温付近の温度変動に敏感です。例えば、ポリメチルメタクリレート（PMMA）は4°Cで極めて脆性ですが、温度上昇とともに延性を示すようになります。

非晶質ポリマーは温度変化に対して差異ある応答を示します。低温ではガラス状（ガラス領域）、中間温度ではゴム状固体（革状またはガラス転移領域）、高温では粘性液体（ゴム流動領域と粘性流動領域）のように振る舞います。

この挙動を粘弾性と呼びます。ガラス領域では非晶質ポリマーは硬く脆性です。温度上昇とともに脆性は低下します。

金属

一部金属は滑り系の関係で脆性を示します。滑り系が多い金属は、これらの系で塑性変形が起こり得るため脆性が低くなります。逆に滑り系が少ないと塑性変形が起こりにくく、脆性が高まります。例えば、HCP（六方最密充填）金属は活性滑り系が少なく、一般に脆性です。

セラミックス

転位運動や滑りが困難なため、セラミックスは典型的に脆性です。結晶質セラミックスは滑り系が限られるため変形が難しく、脆性が高まります。

セラミックス材料には通常イオン結合が存在します。イオンの電荷と同符号電荷を持つ他イオンへの引力により、滑りがさらに制限されます。

材料が脆性化するメカニズム

「靭性化」を通じて、材料をより脆性に、またはより靭性にすることができます。材料が強度限界に達すると、変形か破壊の二択を迫られます。塑性変形メカニズムを妨げると、本来延性な金属を強化できますが、やりすぎると破壊がより起こりやすくなり、材料は脆性化します。したがって、材料靭性の向上には慎重なバランスが必要です。

ガラスなど本来脆性な材料を効果的に靭性化できます。ほとんどの手法は2つのメカニズムのいずれかを用います：進展するき裂先端を偏向・吸収させる、または特定の既知発生源からのき裂を閉じる方向に働く制御された残留応力を導入する。

2枚のガラスの間にポリビニルブチラール（PVB）中間膜を挟んだ合わせガラスは前者の原理を用います。粘弾性ポリマーであるPVBが進展するき裂を吸収します。強化ガプリストレストコンクリートは後者の手法を用います。

プリンス・ルパートの滴はガラス靭性化の例です。ハイインパクトポリスチレン（HIPS）は、金属粒子を導入して応力時にクレーズを発生させることで、脆性ポリマーを靭性化する好例です。炭化ケイ素と変態靭性化ジルコニアが、構造用セラミックスで最も脆性が低い材料です。

複合材料では異なるアプローチを取ります。例えば脆性ガラス繊維を延性マトリックス（ポリエステル樹脂など）に含浸させます。ガラス-マトリックス界面に引張応力でき裂が生じますが、その数が非常に多いため大量のエネルギーを吸収し、材料を靭性化します。金属マトリックス複合材も同じ基本原理で作られます。

圧力が脆性に与える影響

一般に、圧力は材料の脆性強度を高める方向に働きます。これは地殻深度約10キロメートル（6.2マイル）の脆性-延性転移帯で起こり、岩石は破断よりも延性的に曲がりやすくなります。

よくある質問

脆性とは？例は？

弾性限界を超えてひずまされた脆性材料は、小さな塑性域しか持たないため、ほぼ即座に破壊・破断へ向かいます。脆性材料の例：骨、鋳鉄、陶磁器、コンクリート。

延性と脆性の違いは？

延性は固体材料が引張応力下で塑性変形する能力、脆性は引張応力下で塑性変形せずに破断・破壊する傾向です。

脆性破壊の種類は？

粒内破壊と粒界破壊が脆性破壊の2大分類です。

脆性は金属の特性？

セラミックス、ガラス、低温金属が主な脆性材料です。金属の脆性は、延性材料が脆性化する閾値冷却温度を特定するのに役立ちます。

脆性材料とは？

ガラス、セラミックス、グラファイト、極めて低延性の一部合金などが例です。これらでは塑性変形なしにき裂が発生し、急速に脆性破壊へ進展します。

まとめ

脆性はプロジェクト材料選定で考慮すべき重要特性です。応力下で破断するが、破断前にわずかにしか変形しない傾向を指します。高圧縮強度と低引張強度、わずかな変形、衝撃・振動荷重への弱い抵抗が脆性材料の特徴です。

本記事では、以下の疑問に答えました。

• 脆性とは？
• 様々な材料における脆性
• 材料が脆性化するメカニズム
• 圧力が脆性に与える影響

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