Inzicht in broosheid:definitie, oorzaken, voorbeelden en veel voorkomende materialen

Broosheid is een materiaaleigenschap die de neiging beschrijft om te breken met weinig tot geen plastische vervorming wanneer er spanning op wordt uitgeoefend. Bros gedrag ontstaat wanneer atomen in een materiaal niet langs elkaar kunnen glippen terwijl de algehele integriteit van de atomaire roosterstructuur behouden blijft. Scheuren in brosse materialen vormen zich en verspreiden zich snel over korrels of langs korrelgrenzen wanneer ze aan voldoende hoge spanningen worden blootgesteld. Dit proces verloopt doorgaans snel.
Iedereen die ooit een bord of een potloodpunt heeft laten vallen en breken, kent broze materialen. Voorbeelden van brosse materialen zijn onder meer glas, keramiek, grafiet en legeringen met een lage ductiliteit, zoals staal met een hoog koolstofgehalte en gietijzer.
In dit artikel wordt het concept brosheid besproken, de oorzaken ervan uitgelegd en voorbeelden van brosse materialen beschreven.

Wat is broosheid?

Broosheid is de neiging van een materiaal om gemakkelijk te breken, barsten of knappen. Broosheid kan voorkomen in metalen, keramiek, kunststoffen, glas en composietmaterialen.

Wat is brosheid in de materiaalkunde?

In de materiaalkunde is brosheid de eigenschap die de neiging van een materiaal om te breken met minimale plastische vervorming karakteriseert. Broze materialen hebben een slecht vermogen om energie te absorberen voordat ze breken.

Wat is brosheid in de chemie?

In de scheikunde verwijst broosheid naar het onvermogen van een materiaal om te vervormen vanwege de atomaire microstructuur. Sommige microstructuren waarbij atomen veel slipsystemen hebben en meer kans hebben om te ontwrichten, maken materialen minder bros. Anderen, zoals die waarbij atomen weinig slipsystemen hebben, resulteren in het brozer maken van materialen.

Wat is een voorbeeld van broosheid?

Broosheid kan een aangeboren eigenschap zijn of veroorzaakt worden door externe factoren. Materialen die inherent bros zijn, zijn onder meer glas, bakstenen, eierschalen, grafiet en alkalimetalen zoals magnesium. Materialen die niet inherent bros zijn, maar bros worden door bepaalde factoren, zoals koude bedrijfstemperaturen, intergranulaire corrosie en waterstofbrosheid, omvatten staalsoorten met een laag en hoog koolstofgehalte en titanium.

Wanneer treedt brosheid van materiaal op?

Broosheid is een intensieve fysieke eigenschap van een materiaal, wat betekent dat deze niet wordt beïnvloed door de grootte of omvang van het materiaal. Hoewel sommige materialen, zoals de meeste keramiek en glassoorten, inherent bros zijn vanwege hun atomaire structuren en het ontbreken van beschikbare slipsystemen, kunnen sommige normaal gesproken ductiele materialen bros worden als de temperatuur daalt.

Normaal gesproken kunnen ductiele materialen ook bros worden door waterstof of corrosie langs korrelgrenzen. Waterstofverbrossing vindt plaats via een verscheidenheid aan complexe mechanismen die nog steeds niet volledig worden begrepen. Het gemeenschappelijke kenmerk is dat waterstofatomen (geen moleculen H2-gas) in het metaal diffunderen en grote schade aanrichten. De schadelijke effecten kunnen worden veroorzaakt door de vorming van gasvormige soorten die de interne druk verhogen, de vorming van brosse verbindingen in vaste toestand, of door het verhogen van de snelheid van dislocatiebeweging, waardoor de snelheid van scheurvoortplanting in het metaal toeneemt.

Intergranulaire corrosie treedt op wanneer een metaal bij voorkeur wordt aangevallen door een corrosief middel op wat zwakke punten op het oppervlak kunnen zijn:grenzen tussen korrels. Intergranulaire corrosie resulteert doorgaans in de afzetting van brosse corrosieproducten tussen de korrels, waardoor het normaal ductiele metaal wordt vervangen en een gemakkelijk breukpad door het ongewenste brosse materiaal ontstaat.

Wat zijn de oorzaken van broosheid?

De oorzaken van broosheid zijn niet voor elk materiaal hetzelfde. In de onderstaande lijst worden enkele veelvoorkomende oorzaken gedetailleerder beschreven:

1. Amorfe materialen (zoals glas) hebben geen georganiseerde atomaire structuren. Er is geen gemakkelijke manier waarop atomen langs elkaar heen kunnen glippen. Dislocaties, dit zijn defecten op atomair niveau in kristallen, worden op hun plaats vastgezet, waardoor amorfe materialen bros worden.
2. Sterke ionische bindingen tussen geladen atomen zijn bestand tegen glijden en maken het materiaal bros. Bij keramische materialen is dit vaak het geval.
3. Lage temperaturen kunnen de thermische energie van atomen in een materiaal verminderen en ze beter bestand maken tegen uitglijden en ontwrichting.
4. Materialen met minder slipsystemen, of mogelijkheden voor dislocatie van atomen, zijn brozer dan materialen met meer slipsystemen.
5. Onzuiverheden, of vreemde atomen, in een materiaal kunnen broosheid veroorzaken. Dit is het geval bij waterstofverbrossing en bij sommige legeringen zoals gietijzer.

Wat zijn de verschillende brosse materialen?

Hieronder worden enkele voorbeelden van brosse materialen beschreven:

1. Glas

Glas is een van de meest bekende brosse materialen. Het is bros vanwege zijn amorfe structuur. De rangschikking van glas op atomair niveau mist de georganiseerde structuur van kristallijne materialen. Zonder georganiseerde atomaire vlakken die tegen elkaar aan kunnen glijden, kan de spanning die de atomen uit elkaar trekt niet worden verlicht. Het zal uiteindelijk de sterkte van de interatomaire bindingen overschrijden, wat resulteert in de vorming van scheuren die zich snel door het materiaal verspreiden, waardoor het plotseling uiteenvalt.

2. Keramiek

De term keramiek wordt toegepast op een breed scala aan materialen, zoals cement, email, baksteen, porselein en aardewerk. Voor gekristalliseerde keramiek bestaan ​​atomaire structuren voornamelijk uit sterke ionische bindingen tussen geladen atomen. Deze ionische bindingen vormen kristallen die het voor de atomaire vlakken moeilijker maken om tegen elkaar aan te glijden. Het gevolg is dat atomen moeilijk kunnen ontwrichten, waardoor het materiaal bros wordt.

3. Grafiet

Grafiet is een zachte en broze kristallijne vorm van koolstof met een hexagonale, dicht opeengepakte (HCP) kristalstructuur. Brosheid kan worden toegeschreven aan de kristalstructuur van een bepaald materiaal en het aantal slipsystemen dat de structuur heeft. Materialen met kristalstructuren die minder slipsystemen hebben, zijn brosser omdat hun atomen beter bestand zijn tegen ontwrichting. HCP-structuren in grafiet hebben drie slipsystemen, terwijl vlakgecentreerde kubieke (FCC) systemen in een andere koolstofallotroop, diamant, 12 slipsystemen hebben. Bovendien heeft grafiet sterke covalente bindingen tussen atomen binnen hetzelfde vlak, maar zwakke bindingen tussen vlakken. Zowel dit als de HCP-structuur dragen ertoe bij dat grafiet bros is.

4. Legeringen met lage plasticiteit

Legeringen met een lage plasticiteit, zoals gietijzer en titanium, zijn ook voorbeelden van brosse materialen. De kristalstructuur heeft een grote invloed op de brosheid van een legering. Materialen met een FCC-structuur zoals koper zijn bijvoorbeeld taaier dan materialen met een HCP-structuur zoals titanium of magnesium. FCC-constructies hebben 12 slipsystemen, terwijl HCP-constructies slechts 3 slipsystemen hebben. Het hebben van 3 slipsystemen maakt HCP-structuren brozer omdat de atomen in de structuur beter bestand zijn tegen ontwrichting.

Wat is het belang van het identificeren van broosheid?

Het is belangrijk om brosse materialen te identificeren vanwege de implicaties die brosse materialen kunnen hebben voor de succesvolle implementatie en duurzaamheid van een ontwerp. Breekbare materialen worden vaak geselecteerd voor ontwerpen vanwege hun hoge sterkte. Omdat brosse materialen echter met weinig tot geen waarschuwing kunnen breken, kan bros falen catastrofaal zijn. Het wordt aanbevolen om meer ductiele materialen te selecteren die de belastingen kunnen dragen die vereist zijn door het brosse materiaal in ontwerpen.

Hoe wordt broosheid bepaald?

De brosheid wordt bepaald door een trekproef uit te voeren en de ductiliteit van een materiaal te berekenen. Een materiaal wordt als bros beschouwd als het tijdens een trekproef een lage ductiliteit vertoont. De standaard testmethode voor het uitvoeren van trekproeven op metalen materialen is ASTM E8. De overeenkomstige procedure voor kunststoffen is te vinden in ASTM D638. Een trekproef bestaat uit het voorbereiden van een proefstuk op gestandaardiseerde afmetingen en het vervolgens uitoefenen van een voortdurend toenemende trekbelasting totdat het proefstuk breekt. De waarden voor de spanning en rek die het monster ondervindt, worden geregistreerd en gebruikt om de ductiliteit en, indirect, de broosheid ervan te bepalen.

Wat is de formule voor broosheid?

Er bestaat geen specifieke formule voor broosheid. De brosheid van een materiaal kan echter worden afgeleid uit een van de twee onderstaande ductiliteitsformules:

Ductiliteit wordt gedefinieerd als het percentage van de totale rek die het materiaal ervaart vanaf het begin van de test tot aan de breuk, of de overeenkomstige procentuele vermindering van het dwarsdoorsnedeoppervlak dat een materiaal bij breuk ondervindt.

Hoe lager de gemeten ductiliteit, hoe brosser een materiaal wordt geacht te zijn. De formule voor het percentage rek is dezelfde als de formule voor technische rek.
Zie ons artikel “Hoe ductiliteit berekenen?” voor een gedetailleerder overzicht van het onderwerp ductiliteit. 

Wat zijn de soorten broosheid?

De twee soorten brosse breuken zijn transgranulair en intergranulair. Ze worden hieronder gedetailleerder beschreven:

1. Transgranulair:Scheuren planten zich voort over de korrels van het materiaal. Scheuren volgen het pad van de minste weerstand en zullen van richting veranderen om de zwakste splitsingsvlakken te volgen. Grote korrelgroottes (minder korrelgrenzen) zorgen ervoor dat scheuren zich sneller kunnen voortplanten omdat korrelgrenzen de scheuruitbreiding belemmeren. Daarom dragen grote korrelgroottes bij aan hogere niveaus van brosheid.
2. Intergranulair:Scheuren planten zich voort langs de korrelgrenzen van het materiaal. Dit komt vaak voor als de korrelgrenzen broos zijn, wat wordt veroorzaakt door waterstofverbrossing en intergranulaire corrosie.

Wat is het tegenovergestelde van broosheid?

Ductiliteit wordt beschouwd als het tegenovergestelde van broosheid. Ductiliteit is de materiaaleigenschap die het vermogen van een materiaal om plastisch te vervormen beschrijft. Het begrijpen van de rol van breukmechanica en ductiele versus brosse materialen is essentieel voor het ontwerpen van veilige, effectieve en duurzame onderdelen en structuren.

Is brosheid een fysieke eigenschap?

Ja, broosheid is een fysieke eigenschap. Het karakteriseert hoe de atomen in de fysieke structuur van het materiaal met elkaar interageren wanneer er spanning op wordt uitgeoefend.

Wat is het verschil tussen “fragiel” en “broos?”

‘Breekbaar’ en ‘broos’ worden vaak als synoniemen gebruikt. Er zijn echter verschillen tussen hun definities. ‘Breekbaar’ beschrijft eenvoudigweg een materiaal dat gemakkelijk kapot gaat. Hoewel ‘bros’ ook materialen beschrijft die gemakkelijk breken, verwijst het meer specifiek naar materialen die hard en stijf zijn en geen significante plastische vervorming vertonen voordat ze breken. In de materiaalkunde is 'bros' specifieker in zijn definitie, omdat het duidt op een gebrek aan ductiliteit, wat betekent dat het materiaal breekt met minimale vervorming. 'Breekbaar' is een bredere term en kan materialen beschrijven die technisch gezien misschien niet bros zijn, maar toch gemakkelijk beschadigd kunnen raken.

Samenvatting

Dit artikel presenteerde broosheid, legde uit wat het is en besprak de verschillende soorten brosse materialen. Neem voor meer informatie over broosheid contact op met een vertegenwoordiger van Xometry.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder 3D-printen en andere diensten met toegevoegde waarde voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website voor meer informatie of vraag een gratis en vrijblijvende offerte aan.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is afgestudeerd aan de B.Eng Honours in Werktuigbouwkunde en heeft meer dan twintig jaar ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke functies bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep inzicht ontwikkelde in technische processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements