Brosheid begrijpen: definitie, oorzaken, voorbeelden en veelvoorkomende materialen

Brosheid is een materiaaleigenschap die de neiging beschrijft om te breken met weinig tot geen plastische vervorming wanneer spanning wordt toegepast. Bros gedrag ontstaat wanneer atomen in een materiaal niet aan elkaar langs kunnen glijden terwijl de algehele integriteit van het atomaire roosterstructuur behouden blijft. Scheuren in broze materialen vormen en propageren snel, ofwel door korrels heen of langs korrelgrenzen, wanneer ze aan voldoende hoge spanningen worden blootgesteld. Dit proces is typisch snel.

Iedereen die ooit een bord of een potloodpunt heeft laten vallen en gebroken is, kent broze materialen. Voorbeelden zijn glas, keramiek, grafiet, en legeringen met lage duktiliteit, zoals stalen met hoog koolstofgehalte en gietijzer.

Dit artikel bespreekt het concept brosheid, legt de oorzaken uit en beschrijft voorbeelden van broze materialen.

Wat is brosheid?

Brosheid is de neiging van een materiaal om gemakkelijk te breken, scheuren of snappen. Brosheid kan optreden in metalen, keramieken, kunststoffen, glas en composietmaterialen.

Wat is brosheid in de materialenwetenschap?

In de materialenwetenschap is brosheid de eigenschap die de neiging van een materiaal kenmerkt om te breken met minimale plastische vervorming. Broze materialen hebben een slechte capaciteit om energie te absorberen voordat ze breken.

Wat is brosheid in de scheikunde?

In de scheikunde verwijst brosheid naar de onmogelijkheid van een materiaal om te vervormen door zijn atomaire microstructuur. Sommige microstructuren waar atomen veel glijdsystemen hebben en meer kans op dislocatie, maken materialen minder bros. Andere, waar atomen weinig glijdsystemen hebben, maken materialen brozer.

Wat is een voorbeeld van brosheid?

Brosheid kan een aangeboren eigenschap zijn of geïnduceerd door externe factoren. Van nature broze materialen omvatten glas, bakstenen, eierschillen, grafiet, en alkalimetalen zoals magnesium. Materialen die niet van nature bros zijn maar verbrosen door factoren zoals lage bedrijfstemperaturen, intergranulaire corrosie en waterstofverbrosing, omvatten laag- en hoogkoolstofstalen en titanium.

Wanneer treedt brosheid van materiaal op?

Brosheid is een intensieve fysische eigenschap, wat betekent dat het niet beïnvloed wordt door de grootte of omvang van het materiaal. Terwijl sommige materialen, zoals de meeste keramieken en glazen, van nature bros zijn door hun atomaire structuren en gebrek aan beschikbare glijdsystemen, kunnen normaal duktiele materialen bros worden naarmate temperaturen dalen.

Normaal duktiele materialen kunnen ook verbrosen door waterstof of corrosie langs korrelgrenzen. Waterstofverbrosing treedt op via diverse complexe mechanismen die nog niet volledig begrepen zijn. Het gemeenschappelijke kenmerk is dat waterstofatomen (geen H2-gasmoleculen) in het metaal diffunderen en schade aanrichten. De nadelige effecten kunnen veroorzaakt worden door de vorming van gasvormige soorten die de interne druk verhogen, de vorming van broze vaste-stof verbindingen, of door de dislocatiesnelheid te verhogen, wat de scheurpropagatiesnelheid in het metaal verhoogt.

Intergranulaire corrosie treedt op wanneer een metaal preferentieel wordt aangevallen door een corrosief agent op zwakke punten: grenzen tussen korrels. Dit resulteert typisch in de afzetting van broze corrosieproducten tussen korrels, wat het normaal duktiele metaal vervangt en een makkelijke breukpad biedt door het ongewilde broze materiaal.

Wat zijn de oorzaken van brosheid?

De oorzaken verschillen per materiaal. Hieronder enkele veelvoorkomende oorzaken:

1. Amorfe materialen (zoals glas) hebben geen georganiseerde atomaire structuren. Er is geen gemakkelijke manier voor atomen om langs elkaar te glijden. Dislocaties, atomaire defecten in kristallen, zijn vastgepind, wat amorfe materialen bros maakt.
2. Sterke ionische bindingen tussen geladen atomen weerstaan glijden en maken het materiaal bros. Dit geldt vaak voor keramische materialen.
3. Lage temperaturen kunnen de thermische energie van atomen in een materiaal reduceren en ze meer weerstand bieden tegen glijden en dislocatie.
4. Materialen met minder glijdsystemen, of kansen voor dislocatie van atomen, zijn brozer dan materialen met meer glijdsystemen.
5. Onzuiverheden, of vreemde atomen, in een materiaal kunnen brosheid veroorzaken. Dit geldt voor waterstofverbrosing en sommige legeringen zoals gietijzer.

Wat zijn de verschillende broze materialen?

Enkele voorbeelden van broze materialen:

1. Glas

Glas is een van de bekendste broze materialen. Het is bros vanwege zijn amorfe structuur. De atomaire rangschikking van glas mist de georganiseerde structuur van kristallijne materialen. Zonder georganiseerde atomaire vlakken die tegen elkaar kunnen glijden, kan de spanning die atomen van elkaar probeert te trekken niet worden verlicht. Uiteindelijk overschrijdt het de sterkte van de interatomaire bindingen, wat resulteert in scheurvorming die snel door het materiaal propageert, waardoor het plotseling breekt.

2. Keramiek

De term keramiek geldt voor een breed scala aan materialen zoals cement, email, baksteen, porselein en aardewerk. Voor gekristalliseerde keramieken zijn atomaire structuren primair samengesteld uit sterke ionische bindingen tussen geladen atomen. Deze ionische bindingen vormen kristallen die het moeilijker maken voor atomaire vlakken om tegen elkaar te glijden. Gevolgelijk is het moeilijk voor atomen te disloceren, wat het materiaal bros maakt.

3. Grafiet

Grafiet is een zachte en broze kristallijne vorm van koolstof met een hexagonale dichtst-pakking (HCP) kristalstructuur. Brosheid kan toegeschreven worden aan de kristalstructuur en het aantal glijdsystemen. Materialen met kristalstructuren met minder glijdsystemen zijn brozer omdat hun atomen meer weerstand bieden tegen dislocatie. HCP-structuren in grafiet hebben drie glijdsystemen, terwijl face-centered cubic (FCC) systemen in een andere koolstofallotroop, diamant, 12 glijdsystemen hebben. Daarnaast heeft grafiet sterke covalente bindingen binnen hetzelfde vlak, maar zwakke bindingen tussen vlakken. Beide bijdragen aan brosheid.

4. Legeringen met lage plastische vervorming

Legeringen met lage plastische vervorming, zoals gietijzer en titanium, zijn ook voorbeelden van broze materialen. De kristalstructuur heeft grote impact op brosheid van een legering. Materialen met FCC-structuur zoals koper zijn duktiler dan materialen met HCP-structuur zoals titanium of magnesium. FCC heeft 12 glijdsystemen, HCP er maar 3. Alleen 3 systemen maakt HCP brozer omdat atomen meer weerstand bieden tegen disloceren.

Wat is het belang van het identificeren van brosheid?

Het is belangrijk om broze materialen te identificeren vanwege de implicaties voor succesvolle implementatie en duurzaamheid van een ontwerp. Broze materialen worden vaak geselecteerd voor hun hoge sterkte. Omdat ze echter met weinig tot geen waarschuwing kunnen breken, kan bros breuk catastrofaal zijn. Het wordt aanbevolen om meer duktiele materialen te selecteren die de belasting van het broze materiaal in ontwerpen kunnen weerstaan.

Hoe wordt brosheid bepaald?

Brosheid wordt bepaald door een trekkingstest uit te voeren en de duktiliteit van een materiaal te berekenen. Een materiaal wordt als bros beschouwd als het lage duktiliteit vertoont tijdens een trekkingstest. De standaardtestmethode voor metalen is ASTM E8; voor kunststoffen ASTM D638. Een trekkingstest bestaat uit het voorbereiden van een testmonster tot gestandaardiseerde afmetingen en het toepassen van een constant toenemende trekkracht tot het monster breekt. De waarden voor spanning en rek worden vastgelegd en gebruikt om duktiliteit en indirect brosheid te bepalen.

Wat is de formule voor brosheid?

Er is geen specifieke formule voor brosheid. De brosheid kan afgeleid worden uit een van de twee duktiliteitsformules:

Duktiliteit is gedefinieerd als het percentage van totale rek die het materiaal ervaart van het begin van de test tot breuk, of de corresponderende percentage reductie van het dwarsdoorsnede-oppervlak bij breuk.

Hoewel de gemeten duktiliteit, hoe meer broos het materiaal beschouwd wordt. De percentage-rekformule is hetzelfde als de formule voor technische rek. Zie ons artikel "Hoe duktiliteit te berekenen?" voor een gedetailleerder overzicht.

Wat zijn de typen brosheid?

De twee typen broze breuken zijn transgranulair en intergranulair:

1. Transgranulair: Scheuren propageren door de korrels heen. Scheuren volgen het pad van minste weerstand en veranderen richting om de zwakste splijtingsvlakken te volgen. Grote korrelgroottes (minder korrelgrenzen) laten scheuren sneller propageren omdat korrelgrenzen scheurextensie belemmeren. Grote korrelgroottes dragen bij aan hogere brosheid.
2. Intergranulair: Scheuren propageren langs de korrelgrenzen. Dit is gemeenschappelijk wanneer korrelgrenzen bros zijn, veroorzaakt door waterstofverbrosing en intergranulaire corrosie.

Wat is het tegenovergestelde van brosheid?

Duktiliteit wordt als het tegenovergestelde van brosheid beschouwd. Duktiliteit is de materiaaleigenschap die de vermogen van een materiaal beschrijft om plastisch te vervormen. Het begrijpen van breukmechanica en duktil vs. bros materialen is essentieel voor het ontwerpen van veilige, effectieve en duurzame onderdelen en structuren.

Is brosheid een fysische eigenschap?

Ja, brosheid is een fysische eigenschap. Het kenmerkt hoe de atomen in de fysieke structuur van het materiaal met elkaar interacteren wanneer spanning wordt toegepast.

Wat is het verschil tussen "kwetsbaar" en "bros"?

"Kwetsbaar" en "bros" worden vaak als synoniemen gebruikt. Er zijn echter verschillen in definities. "Kwetsbaar" beschrijft simpelweg een materiaal dat gemakkelijk breekt. "Bros" verwijst specifiek naar materialen die hard, rigide zijn en geen significante plastische vervorming vertonen voor het breken. In de materialenwetenschap is "bros" specifieker: het duidt op gebrek aan duktiliteit, wat betekent dat het materiaal breekt met minimale vervorming. "Kwetsbaar" is een bredere term en kan materialen beschrijven die niet technisch bros zijn maar nog steeds gemakkelijk beschadigd raken.

Samenvatting

Dit artikel presenteerde brosheid, legde uit wat het is en besprak de verschillende typen broze materialen. Voor meer informatie over brosheid, neem contact op met een Xometry-vertegenwoordiger.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder 3D-printen en andere waardevolle diensten voor al uw prototyping- en productiebehoeftes. Bezoek onze website voor meer informatie of om een gratis, niet-binderende offerte aan te vragen.

Disclaimer

De inhoud van deze pagina is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele garantie, expliciet of impliciet, over de accurate, volledigheid of geldigheid van de informatie. Prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en typen materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat derde leveranciers of fabrikanten via Xometry's netwerk leveren. Klanten die offertes aanvragen zijn verantwoordelijk voor het specificeren van de exacte eisen. Raadpleeg onze voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is een B.Eng Honors-afgestudeerde in Werktuigbouwkunde met meer dan twee decennia ervaring in de productie-industrie. Zijn carrière omvat rollen bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale.

Lees meer artikelen van Dean McClements