Comprendre la fragilité des matériaux

Lorsqu'il est sous contrainte, un matériau est dit fragile s'il se fissure avec peu de déformation élastique et peu ou pas de déformation plastique. Même les matériaux à haute résistance qui sont fragiles ont tendance à absorber relativement peu d'énergie avant de se casser. Un claquement fort est souvent présent lorsque quelque chose se casse.

Il est généralement utilisé pour les matériaux qui échouent lorsqu'il y a peu ou pas de déformation plastique avant l'échec lorsqu'il est utilisé dans la recherche sur les matériaux. Les pièces fracturées doivent s'emboîter parfaitement car il n'y a pas eu de déformation plastique, ce qui est une façon de le vérifier.

Dans cet article, les questions suivantes seront abordées :

• Qu'est-ce que la fragilité ?
• Fragilité dans différents matériaux
• Comment les matériaux deviennent-ils cassants ?
• Quel est l'effet de la pression sur la fragilité ?

Qu'est-ce que la fragilité ?

Le terme « fragilité » fait référence à la tendance d'un matériau à se fracturer sous contrainte, mais à ne se déformer que légèrement avant de le faire. Une résistance élevée à la compression et une faible résistance à la traction sont des caractéristiques des matériaux fragiles, tout comme une faible déformation, une faible résistance aux chocs et aux vibrations de la charge et une résistance élevée à la compression. La majorité des matériaux inorganiques non métalliques sont fragiles.

Lorsqu'il est sous contrainte, un matériau est dit fragile s'il se fissure avec peu de déformation élastique et peu ou pas de déformation plastique. Même les matériaux à haute résistance qui sont fragiles ont tendance à absorber relativement peu d'énergie avant de se casser. Un claquement fort est souvent présent lorsque quelque chose se casse.

Il est généralement utilisé pour les matériaux qui échouent lorsqu'il y a peu ou pas de déformation plastique avant l'échec lorsqu'il est utilisé dans la recherche sur les matériaux. Les pièces fracturées doivent s'emboîter parfaitement car il n'y a pas eu de déformation plastique, ce qui est une façon de le vérifier.

En dessous d'une température seuil appelée température de transition vitreuse (Tg) ou température de transition ductile à fragile (DBTT), les métaux et les polymères deviennent cassants. Particulièrement lorsque des forces s'exercent sur le corps, ce changement rapide est désastreux. On observe que la croissance de la fracture est orthogonale aux forces appliquées qui traversent les grains moléculaires ou les bordures de grains.

Dans ce cas, la température affecte la structure moléculaire d'un matériau d'une manière qui l'empêche de conserver sa flexibilité, ce qui entraîne une défaillance du matériau. En général, tous les matériaux finissent par échouer lorsque leurs limites sont dépassées, cependant, la fragilité fait référence à la tendance d'un matériau à échouer avant qu'il ne change de forme ou de taille.

La rupture des matériaux fragiles se produit dans deux circonstances :une contrainte agissant sur la surface du matériau et des températures ambiantes inférieures au point de fusion du matériau.

Fragilité dans différents matériaux

Voici les matériaux avec leur niveau de fragilité :

Polymères

Les propriétés mécaniques des polymères sont sensibles aux fluctuations de température proches de la température ambiante. Par exemple, le poly (méthacrylate de méthyle) est extrêmement cassant à 4 °C, mais devient plus ductile à mesure que la température augmente.

Les polymères amorphes sont ceux qui réagissent différemment aux changements de température. A basse température, ils peuvent se comporter comme du verre (la zone vitreuse), à ​​des températures intermédiaires, ils peuvent se comporter comme un solide caoutchouteux (la région de transition vitreuse ou coriace), et à des températures plus élevées, ils peuvent se comporter comme un liquide visqueux (la zone caoutchouteuse région d'écoulement et d'écoulement visqueux).

Le comportement viscoélastique est le nom donné à cette action. Le polymère amorphe sera dur et cassant dans la zone vitreuse. Le polymère deviendra moins cassant à mesure que la température augmente.

Métaux

En raison de leurs systèmes de glissement, certains métaux présentent des qualités fragiles. Le métal est d'autant moins cassant qu'il possède des systèmes de glissement car plusieurs de ces systèmes de glissement peuvent subir une déformation plastique. En revanche, le métal sera plus cassant avec moins de systèmes de glissement car moins de déformation plastique peut avoir lieu. Par exemple, les métaux HCP (hexagonaux compacts) sont souvent fragiles et ont peu de systèmes de glissement actifs.

Céramique

En raison de la difficulté du mouvement ou du glissement des dislocations, les céramiques sont généralement cassantes. Les céramiques cristallines ont un nombre limité de systèmes de glissement, ce qui rend la déformation difficile et augmente la fragilité de la céramique.

La liaison ionique est généralement présente dans les matériaux céramiques. Le glissement est encore limité en raison de la charge électrique des ions et de leur attraction vers d'autres ions ayant des charges similaires.

Comment les matériaux deviennent-ils cassants ?

Grâce à la trempe, les matériaux peuvent être rendus plus ou moins cassants. Un matériau a généralement deux options lorsqu'il atteint la limite de sa résistance :la déformation ou la rupture. En empêchant les mécanismes de déformation plastique, un métal naturellement pliable peut être renforcé, mais si cela est fait à l'extrême, la fracture devient le résultat le plus probable et le matériau peut devenir cassant. Par conséquent, l'augmentation de la ténacité des matériaux nécessite un équilibrage minutieux.

Le verre et d'autres matériaux naturellement fragiles peuvent être trempés efficacement. La majorité de ces méthodes utilisent l'un des deux mécanismes suivants :soit dévier ou absorber la pointe de la fracture au fur et à mesure qu'elle se propage, soit générer des contraintes résiduelles régulées avec précision qui entraîneront la fermeture des fissures provenant de sources connues spécifiques.

Le verre feuilleté, constitué de deux feuilles de verre séparées par un intercalaire en polyvinyl butyral, utilise le premier principe. En tant que polymère viscoélastique, le butyral de polyvinyle absorbe la fissure en expansion. Le verre trempé et le béton précontraint utilisent tous deux la seconde technique.

Prince Rupert's Drop offre une illustration de la trempe du verre. Le polystyrène à fort impact, également connu sous le nom de HIPS, est une bonne illustration de la façon dont les polymères fragiles peuvent être rendus plus résistants en incorporant des particules métalliques pour provoquer des craquelures lorsqu'un échantillon est mis sous pression. Le carbure de silicium et la zircone trempée par transformation sont les céramiques structurales les moins fragiles.

Les matériaux composites, où les fibres de verre cassantes, par exemple, sont incorporées dans une résine polyester ductile de type matrice, utilisent une philosophie distincte. À l'interface verre-matrice, des fissures apparaissent sous tension, mais elles sont si nombreuses qu'une grande quantité d'énergie est absorbée, ce qui rend le matériau plus durable. Les composites à matrice métallique sont fabriqués en utilisant la même idée de base.

Quel est l'effet de la pression sur la fragilité ?

En général, la pression peut être utilisée pour augmenter la résistance à la fragilité d'un matériau. Cela se produit, par exemple, dans la zone de transition fragile-ductile à une profondeur d'environ 10 kilomètres (6,2 mi) dans la croûte terrestre, où la roche est plus susceptible de se plier de manière ductile et moins sujette à la fracture.

FAQ

Qu'est-ce que la fragilité et son exemple ?

Après avoir été tendus au-delà de leur limite élastique, les matériaux fragiles commencent presque rapidement à se rompre ou à se rompre car ils ont une minuscule zone plastique. Les matériaux fragiles comprennent des éléments tels que l'os, la fonte, la porcelaine et le béton.

Qu'est-ce que la ductilité et la fragilité ?

Alors que la fragilité fait référence à la propension d'un matériau à se fracturer ou à se casser plutôt qu'à se plier plastiquement sous la pression de traction, la ductilité fait référence à la capacité d'un matériau solide à le faire.

Quels sont les types de fragilité ?

Les fractures transgranulaires et intergranulaires sont les deux principales formes de fractures fragiles.

La fragilité est-elle une propriété du métal ?

La céramique, le verre et les métaux froids constituent souvent la majorité des matériaux fragiles. La fragilité du métal aide à identifier la température de refroidissement seuil à laquelle un matériau ductile devient cassant.

Qu'est-ce qu'un matériau fragile ?

Le verre, la céramique, le graphite et certains alliages à très faible plasticité sont des exemples de matériaux fragiles. Dans ces matériaux, les fissures peuvent commencer sans déformation plastique et évoluer rapidement vers une rupture fragile.

En résumé

La fragilité est une propriété essentielle à prendre en compte lors de la sélection des matériaux pour un projet. Il fait référence à la tendance d'un matériau à se fracturer sous contrainte mais à ne se déformer que légèrement avant de le faire. Une résistance élevée à la compression et une faible résistance à la traction sont des caractéristiques des matériaux fragiles, tout comme une faible déformation, une faible résistance aux chocs et aux vibrations de la charge et une résistance élevée à la compression.

C'est tout pour cet article, où les réponses aux questions suivantes sont fournies :

• Qu'est-ce que la fragilité ?
• Fragilité dans différents matériaux
• Comment les matériaux deviennent-ils cassants ?
• Quel est l'effet de la pression sur la fragilité ?

J'espère que vous apprendrez beaucoup de la lecture, si c'est le cas, merci de partager avec les autres. Merci d'avoir lu, à bientôt !