了解脆性：定义、原因、示例和常见材料

脆性是一种材料特性，描述了当对其施加应力时，其断裂的倾向，几乎没有塑性变形。当材料中的原子无法在保持原子晶格结构的整体完整性的同时相互滑过时，就会产生脆性行为。当脆性材料受到足够高的应力时，裂纹会形成并快速穿过晶粒或沿着晶界传播。这个过程通常很快。
任何曾摔碎餐盘或铅笔尖的人都熟悉脆性材料。脆性材料的例子包括玻璃、陶瓷、石墨和低延展性合金，例如高碳钢和铸铁。
本文将回顾脆性的概念，解释其原因，并描述脆性材料的示例。

什么是脆性？

脆性是指材料容易破裂、破裂或折断的倾向。金属、陶瓷、塑料、玻璃和复合材料都会出现脆性。

什么是材料科学中的脆性？

在材料科学中，脆性是表征材料在最小塑性变形的情况下断裂倾向的特性。脆性材料在断裂前吸收能量的能力较差。

什么是化学中的脆性？

在化学中，脆性是指材料由于其原子微观结构而无法变形。一些微观结构中的原子具有许多滑移系统并且有更多的机会发生位错，从而使材料的脆性降低。其他的，比如那些原子几乎没有滑移系统的原子，会导致材料变得更脆。

什么是脆性的例子？

脆性可以是固有特性，也可以是由外部因素引起的。本质上易碎的材料包括玻璃、砖块、蛋壳、石墨和镁等碱金属。本质上不脆但由于某些因素（例如低温工作温度、晶间腐蚀和氢脆）而变脆的材料包括低碳钢、高碳钢和钛。

材料什么时候会出现脆性？

脆性是材料的一种强烈的物理性质，这意味着它不受材料的尺寸或范围的影响。虽然某些材料（如大多数陶瓷和玻璃）由于其原子结构和缺乏可用的滑移系统而本质上是脆性的，但一些通常具有延展性的材料会随着温度降低而变脆。

通常，延展性材料也会因氢或沿晶界的腐蚀而脆化。氢脆是通过多种复杂机制发生的，但这些机制尚未完全了解。共同特征是氢原子（不是氢气分子）扩散到金属中并造成严重破坏。有害影响可能是由于形成了提高内部压力的气态物质、形成了脆性固态化合物或提高了位错运动速率（从而增加了金属中的裂纹扩展速率）而引起的。

当金属在其表面的薄弱点（晶粒之间的边界）优先受到腐蚀剂的侵蚀时，就会发生晶间腐蚀。晶间腐蚀通常会导致脆性腐蚀产物沉积在晶粒之间，取代通常具有延展性的金属，并通过不需要的脆性材料提供一条简单的断裂路径。

脆性的原因是什么？

对于每种材料来说，脆性的原因并不相同。下面的列表更详细地描述了一些常见原因：

1. 非晶态材料（如玻璃）不具有有序的原子结构。原子之间没有简单的相互滑动的方法。位错是晶体中的原子级缺陷，被固定在适当的位置，使非晶材料变脆。
2. 带电原子之间的强离子键可以抵抗滑动并使材料变脆。陶瓷材料经常出现这种情况。
3. 低温可以降低材料内原子的热能，使其更能抵抗滑移和位错。
4. 滑移系统或原子位错机会较少的材料比滑移系统较多的材料更脆。
5. 材料中的杂质或外来原子会导致脆性。氢脆和某些合金（例如铸铁）就是这种情况。

有哪些不同的脆性材料？

脆性材料的一些示例如下：

1。玻璃

玻璃是最著名的脆性材料之一。由于其无定形结构，它很脆。玻璃的原子级排列缺乏晶体材料的组织结构。如果没有可以相互滑动的有组织的原子平面，则无法缓解将原子相互拉开的应力。它最终会超过原子间键的强度，导致形成裂纹，并在材料中快速传播，导致材料突然破裂。

2。陶瓷

陶瓷一词适用于广泛的材料，例如水泥、搪瓷、砖、瓷器和陶器。对于结晶陶瓷，原子结构主要由带电原子之间的强离子键组成。这些离子键形成晶体，使原子平面更难相互滑动。因此，原子很难发生位错，从而使材料变脆。

3。石墨

石墨是一种软而脆的碳结晶形式，具有六方密排（HCP）晶体结构。脆性可归因于特定材料的晶体结构和该结构具有的滑移系统的数量。具有较少滑移系统的晶体结构的材料更脆，因为它们的原子更能抵抗位错。石墨中的 HCP 结构具有 3 个滑移系统，而另一种碳同素异形体金刚石中的面心立方 (FCC) 系统则具有 12 个滑移系统。此外，石墨在同一平面内的原子之间具有强共价键，但平面之间的键较弱。这及其 HCP 结构都导致石墨变脆。

4。低塑性合金

低塑性合金，例如铸铁和钛，也是脆性材料的例子。晶体结构对合金的脆性有很大影响。例如，具有 FCC 结构（例如铜）的材料比具有 HCP 结构（例如钛或镁）的材料更具延展性。 FCC 结构有 12 个滑移系统，而 HCP 结构只有 3 个滑移系统。具有 3 个滑移系统使 HCP 结构更脆，因为其结构内的原子更能抵抗位错。

识别脆性的重要性是什么？

识别脆性材料非常重要，因为脆性材料可能对设计的成功实施和耐用性产生影响。脆性材料因其高强度而常被选择用于设计。然而，由于脆性材料可能在几乎没有警告的情况下断裂，因此脆性破坏可能是灾难性的。建议设计时选择韧性较好的材料，以承受脆性材料所需的载荷。

如何确定脆性？

脆性是通过完成拉伸测试并计算材料的延展性来确定的。如果材料在拉伸试验中表现出低延展性，则该材料被认为是脆性的。对金属材料进行拉伸测试的标准测试方法是 ASTM E8。塑料的相应程序可在 ASTM D638 中找到。拉伸试验包括将测试样品制备成标准尺寸，然后施加不断增加的拉伸载荷直至样品断裂。记录样本所经历的应力和应变值，并用于确定延展性，并间接确定其脆性。

脆性的公式是什么？

没有专门针对脆性的公式。然而，材料的脆性可以从下面所示的两个延展性公式之一推导出来：

延展性定义为材料从测试开始到断裂所经历的总伸长率的百分比，或者材料在断裂时所经历的横截面积的相应减少百分比。

测得的延展性越低，材料就越脆。伸长率公式与工程应变公式相同。
请参阅我们的文章“如何计算延展性？”有关延展性主题的更详细概述。 

脆性有哪些类型？

脆性断裂有穿晶断裂和沿晶断裂两种。下面对它们进行了更详细的描述：

1. 穿晶：裂纹沿着材料的晶粒传播。裂纹遵循阻力最小的路径，并且会改变方向以遵循最弱的解理面。大晶粒尺寸（较少的晶界）使裂纹能够更快地扩展，因为晶界阻碍裂纹扩展。因此，大晶粒尺寸会导致更高的脆性。
2. 晶间：裂纹沿着材料的晶界扩展。当晶界较脆时，这种情况很常见，这是由氢脆和晶间腐蚀引起的。

脆性的反义词是什么？

延展性被认为与脆性相反。延展性是描述材料塑性变形能力的材料属性。了解断裂力学以及延性材料与脆性材料的作用对于设计安全、有效且耐用的零件和结构至关重要。

脆性是一种物理特性吗？

是的，脆性是一种物理特性。它表征了材料物理结构中的原子在施加应力时如何相互作用。

“脆弱”和“易碎”之间有什么区别？

“脆弱”和“易碎”经常作为同义词使用。然而，它们的定义之间存在差异。 “易碎”只是描述一种容易破碎的材料。虽然“脆性”也描述了容易断裂的材料，但更具体地说，它是指坚硬、刚性且在断裂前缺乏显着塑性变形的材料。在材料科学中，“脆性”的定义更为具体，因为它表示缺乏延展性，意味着材料在变形最小的情况下断裂。 “易碎”是一个更广泛的术语，可以描述技术上可能不脆但仍然容易损坏的材料。

摘要

本文介绍了脆性，解释了它是什么，并讨论了不同类型的脆性材料。要了解有关脆性的更多信息，请联系 Xometry 代表。

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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