Křehkost

Rozbalit box

Obsah boxu

Křehkost je mechanická vlastnost materiálu, která popisuje jeho tendenci k náhlému lomu bez předchozí významné plastické deformace. Křehký materiál při zatížení absorbuje relativně málo energie, než dojde k jeho porušení. Opakem křehkosti je tažnost (duktilita) nebo houževnatost. Typickými příklady křehkých materiálů jsou sklo, keramika, některé druhy litiny nebo beton.

Křehkost není totéž co nízká pevnost. Materiál může být velmi pevný (odolávat velkému napětí), ale zároveň křehký. Například diamant je extrémně tvrdý a pevný, ale zároveň křehký a při úderu se může roztříštit.

🔬 Fyzikální podstata

Pochopení křehkosti vyžaduje pohled na materiál na atomární a mikrostrukturální úrovni. Chování materiálu je dáno typem chemických vazeb, uspořádáním atomů v krystalové mřížce a přítomností defektů.

⚛️ Atomové vazby a krystalová struktura

Materiály s pevnými, směrově orientovanými vazbami, jako jsou iontové a kovalentní vazby, mají tendenci být křehké. Tyto vazby vyžadují velké množství energie k přerušení a neumožňují snadný skluz atomových rovin vůči sobě, což je mechanismus plastické deformace. To je typické pro keramické materiály.

Naopak kovová vazba, charakteristická pro většinu kovů, je nesměrová a umožňuje relativně snadný pohyb dislokací a skluz atomových rovin, což vede k tažnému (duktilnímu) chování.

Krystalová struktura také hraje klíčovou roli. Struktury s menším počtem hustě zaplněných skluzových systémů (např. hexagonální těsně uspořádaná mřížka - HCP) jsou obecně křehčí než struktury s více systémy (např. plošně centrovaná kubická mřížka - FCC, typická pro hliník, měď nebo zlato).

📉 Role defektů a Griffithova teorie

Reálné materiály nejsou dokonalé a obsahují různé defekty, jako jsou mikroskopické trhliny, póry, vměstky nebo hranice zrn. Podle Griffithovy teorie křehkého lomu působí tyto defekty jako koncentrátory napětí. Na špičce trhliny může být lokální napětí mnohonásobně vyšší než jmenovité napětí působící na celý materiál.

Když toto lokální napětí dosáhne hodnoty meziprovinové soudržnosti materiálu, trhlina se začne šířit. U křehkých materiálů se energie dodaná vnějším zatížením spotřebovává téměř výhradně na tvorbu nových lomových ploch, což vede k rychlému, katastrofickému šíření trhliny a náhlému lomu. U houževnatých materiálů se velká část energie spotřebuje na plastickou deformaci v okolí špičky trhliny, což její šíření brzdí nebo zastavuje.

🌡️ Vlivy na křehkost

Křehkost materiálu není neměnná vlastnost, ale je ovlivněna řadou vnějších i vnitřních faktorů.

🧊 Teplota

Teplota má zásadní vliv, zejména u materiálů s prostorově centrovanou kubickou mřížkou (BCC), jako je ocel. S klesající teplotou klesá mobilita dislokací a materiál se stává křehčím. Existuje tzv. tranzitní teplota přechodu z houževnatého do křehkého stavu (DBTT - Ductile-Brittle Transition Temperature). Nad touto teplotou se materiál chová houževnatě, pod ní křehce. Tento jev byl jednou z příčin katastrofy Titanicu, jehož ocelové pláty při nízké teplotě ledové vody zkřehly.

⏱️ Rychlost zatěžování

Vysoká rychlost deformace (rázové zatížení) podporuje křehké chování. Materiál nemá dostatek času na plastickou deformaci prostřednictvím pohybu dislokací, a proto dojde spíše k šíření trhlin. Proto se pro testování náchylnosti ke křehkému lomu používají rázové zkoušky.

🔬 Mikrostruktura

• Velikost zrna: Jemnozrnné materiály jsou obecně houževnatější než hrubozrnné. Hranice zrn působí jako překážky pro šíření trhlin.
• Nečistoty a vměstky: Přítomnost křehkých fází nebo nečistot (např. síra nebo fosfor v oceli) na hranicích zrn může výrazně zvýšit křehkost.
• Tepelné zpracování: Procesy jako kalení zvyšují tvrdost a pevnost oceli, ale zároveň i její křehkost. Následné popouštění křehkost snižuje.

⚙️ Měření a charakterizace

Křehkost se obvykle nekvantifikuje jediným číslem, ale posuzuje se na základě výsledků různých mechanických zkoušek.

• Zkouška tahem: Křehké materiály v tahovém diagramu vykazují malou nebo žádnou oblast plastické deformace. K lomu dochází krátce po dosažení meze kluzu nebo meze pevnosti. Prodloužení při přetržení (tažnost) je velmi nízké.
• Rázové zkoušky: Nejběžnějšími metodami jsou Charpyho zkouška rázem v ohybu a Izodova zkouška. Měří se energie potřebná k přeražení zkušebního tělesa s vrubem. Nízká spotřebovaná energie (tzv. vrubová houževnatost) svědčí o křehkém chování.
• Lomová houževnatost (K_Ic): Jedná se o pokročilejší koncept z lomové mechaniky, který kvantifikuje odolnost materiálu proti šíření trhliny. Materiály s nízkou lomovou houževnatostí jsou považovány za křehké.

📝 Příklady křehkých materiálů

• Keramika: Oxid hlinitý, karbid křemíku, nitrid křemíku, porcelán. Mají silné iontové/kovalentní vazby.
• Sklo: Amorfní materiál, jehož neuspořádaná struktura neumožňuje skluzové mechanismy.
• Litina: Zejména šedá litina, kde grafitové lupínky působí jako vnitřní vruby a koncentrátory napětí.
• Beton: Je pevný v tlaku, ale velmi křehký v tahu. Proto se vyztužuje ocelovou výztuží (železobeton).
• Některé polymery: Při nízkých teplotách (pod jejich teplotou skelného přechodu) se mnohé plasty, jako polymethylmethakrylát (plexisklo) nebo polystyren, chovají křehce.
• Tvrdé kovy a cermety: Materiály jako karbid wolframu jsou extrémně tvrdé, ale křehké.

💡 Praktický význam a aplikace

Porozumění křehkosti je klíčové v inženýrství a materiálových vědách.

• Konstrukční návrh: Inženýři se musí vyhýbat použití křehkých materiálů v aplikacích, kde hrozí rázové zatížení nebo kde by náhlé selhání mělo katastrofické následky (např. mosty, tlakové nádoby, součásti letadel).
• Prevence poruch: Analýza lomových ploch (fraktografie) může odhalit, zda k selhání došlo křehkým, nebo houževnatým lomem, což pomáhá určit příčinu poruchy.
• Využití křehkosti: Někdy je křehkost žádoucí. Například tvrzené sklo je navrženo tak, aby se při rozbití roztříštilo na tisíce malých, méně nebezpečných úlomků. Při obrábění se využívá křehkosti materiálů k tvorbě třísky.

🧑‍🏫 Pro laiky: Co je křehkost?

Představte si dva předměty: suchou špagetu a žvýkačku.

• Když začnete ohýbat špagetu, chvíli odolává, ale pak se náhle a bez varování zlomí na dva kusy. Neohne se do oblouku, prostě praskne. To je křehkost.
• Když začnete natahovat žvýkačku, nejprve se hodně protáhne, ztenčí se a teprve potom se přetrhne. Změnila svůj tvar, než se porušila. To je opak křehkosti – houževnatost nebo tažnost.

Křehkost tedy neznamená, že je materiál "slabý". Špageta může být poměrně pevná, když na ni tlačíte podélně. Křehkost popisuje způsob, jakým se materiál poruší – náhle a bez plastické deformace (protažení nebo ohnutí). Sklo je také velmi pevné a tvrdé, ale všichni víme, jak snadno se rozbije při pádu – to je ukázkový příklad křehkosti.

Šablona:Aktualizováno