Entendendo a fragilidade dos materiais

Quando sob tensão, um material é dito frágil se trincas com pouca deformação elástica e pouca ou nenhuma deformação plástica. Mesmo materiais com alta resistência que são frágeis tendem a absorver relativamente pouca energia antes de quebrar. Um som alto de estalo está frequentemente presente quando algo quebra.

É normalmente usado para materiais que falham quando há pouca ou nenhuma deformação plástica antes da falha quando é utilizado na pesquisa de materiais. As peças fraturadas devem se encaixar perfeitamente, pois não houve deformação plástica, o que é uma maneira de verificar isso.

Neste artigo, você receberá as seguintes questões que serão discutidas:

O que é fragilidade?
Fragilidade em diferentes materiais
Como os materiais se tornam quebradiços?
Qual é o efeito da pressão na fragilidade?

O que é fragilidade?

O termo “fragilidade” refere-se à tendência de um material de fraturar sob tensão, mas apenas se deformar levemente antes de fazê-lo. Alta resistência à compressão e baixa resistência à tração são características de materiais frágeis, assim como pouca deformação, baixa resistência ao impacto e vibração da carga e alta resistência à compressão. A maioria dos materiais inorgânicos não metálicos são frágeis.

Quando sob tensão, um material é dito frágil se trincas com pouca deformação elástica e pouca ou nenhuma deformação plástica. Mesmo materiais com alta resistência que são frágeis tendem a absorver relativamente pouca energia antes de quebrar. Um som alto de estalo está frequentemente presente quando algo quebra.

É normalmente usado para materiais que falham quando há pouca ou nenhuma deformação plástica antes da falha quando é utilizado na pesquisa de materiais. As peças fraturadas devem se encaixar perfeitamente, pois não houve deformação plástica, o que é uma maneira de verificar isso.

Abaixo de uma temperatura limite conhecida como temperatura de transição vítrea (Tg) ou temperatura de transição dúctil para frágil (DBTT), metais e polímeros tornam-se quebradiços. Particularmente quando as forças estão se exercendo sobre o corpo, essa mudança rápida é desastrosa. Observa-se que o crescimento da fratura é ortogonal às forças aplicadas que passam pelos grãos moleculares ou bordas de grãos.

Nesse caso, a temperatura afeta a estrutura molecular de um material de forma que o impede de manter sua flexibilidade, o que resulta em falha do material. Em geral, todos os materiais eventualmente falharão quando seus limites forem excedidos, no entanto, a fragilidade refere-se à tendência de um material falhar antes de mudar de forma ou tamanho.

A falha de materiais frágeis ocorre em duas circunstâncias:tensão atuando na superfície do material e temperaturas ambientes abaixo do ponto de fusão do material.

Fragilidade em diferentes materiais

Os seguintes são materiais com seu nível de fragilidade:

Polímeros

As propriedades mecânicas do polímero são suscetíveis a flutuações de temperatura próximas à temperatura ambiente. Por exemplo, o poli (metacrilato de metila) é extremamente frágil a 4°C, mas torna-se mais dúctil à medida que a temperatura aumenta.

Polímeros amorfos são aqueles que respondem diferencialmente a mudanças de temperatura. Em baixas temperaturas, eles podem se comportar como vidro (a zona vítrea), em temperaturas intermediárias, podem se comportar como um sólido emborrachado (a região de couro ou transição vítrea) e em temperaturas mais altas, podem se comportar como um líquido viscoso (o emborrachado). fluxo e região de fluxo viscoso).

Comportamento viscoelástico é o nome dado a esta ação. O polímero amorfo será duro e quebradiço na zona vítrea. O polímero se tornará menos quebradiço à medida que a temperatura aumenta.

Metais

Devido aos seus sistemas de deslizamento, alguns metais apresentam qualidades frágeis. O metal é menos quebradiço quanto mais sistemas de deslizamento ele possui, porque vários desses sistemas de deslizamento podem sofrer deformação plástica. Por outro lado, o metal será mais frágil com menos sistemas de deslizamento, pois pode ocorrer menos deformação plástica. Por exemplo, metais HCP (hexagonais compactos) são frequentemente frágeis e têm poucos sistemas de deslizamento ativos.

Cerâmica

Devido à dificuldade de movimento ou deslizamento das discordâncias, as cerâmicas são tipicamente quebradiças. As cerâmicas cristalinas têm um número limitado de sistemas de deslizamento, o que torna a deformação desafiadora e aumenta a fragilidade da cerâmica.

A ligação iônica está tipicamente presente em materiais cerâmicos. O deslizamento é ainda mais limitado como resultado da carga elétrica dos íons e sua atração por outros íons com cargas semelhantes.

Como os materiais mudam para quebradiços?

Através do endurecimento, os materiais podem se tornar mais frágeis ou menos frágeis. Um material normalmente tem duas opções quando atinge o limite de sua resistência:deformação ou fratura. Ao evitar os mecanismos de deformação plástica, um metal naturalmente flexível pode se tornar mais forte, mas se isso for feito ao extremo, a fratura se torna o resultado mais provável e o material pode se tornar frágil. Portanto, aumentar a tenacidade do material requer um balanceamento cuidadoso.

Vidro e outros materiais naturalmente frágeis podem ser temperados com eficiência. A maioria desses métodos usa um de dois mecanismos:ou para defletir ou absorver a ponta da fratura à medida que ela se espalha ou para gerar tensões residuais precisamente reguladas que irão conduzir rachaduras de fontes específicas conhecidas ao fechamento.

O vidro laminado, que consiste em duas folhas de vidro separadas por uma camada intermediária de polivinilbutiral, usa o primeiro princípio. Como um polímero viscoelástico, o polivinilbutiral absorve a fissura em expansão. O vidro temperado e o concreto protendido empregam a segunda técnica.

Prince Rupert's Drop oferece uma ilustração do endurecimento do vidro. O poliestireno de alto impacto, também conhecido como HIPS, é uma boa ilustração de como os polímeros frágeis podem se tornar mais resistentes pela incorporação de partículas de metal para causar rachaduras quando uma amostra é pressionada. Carboneto de silício e zircônia endurecida por transformação são as cerâmicas estruturais menos frágeis.

Materiais compósitos, onde fibras de vidro quebradiças, por exemplo, são incorporadas em uma resina de poliéster tipo matriz dúctil, empregam uma filosofia distinta. Na interface vidro-matriz surgem fissuras sob tensão, mas são tantas que absorvem muita energia, tornando o material mais durável. Os compósitos de matriz metálica são feitos usando a mesma ideia básica.

Qual é o efeito da pressão na fragilidade?

Em geral, a pressão pode ser usada para aumentar a resistência à fragilidade de um material. Isso ocorre, por exemplo, na zona de transição frágil-dúctil a uma profundidade de cerca de 10 quilômetros (6,2 milhas) na crosta terrestre, onde a rocha é mais propensa a dobrar dúctilmente e menos propensa a fraturas.

Perguntas frequentes

O que são fragilidade e seu exemplo?

Depois de serem deformados além de seu limite elástico, os materiais frágeis começam quase rapidamente a falhar em direção à fratura ou ruptura porque possuem uma pequena zona plástica. Materiais frágeis incluem coisas como osso, ferro fundido, porcelana e concreto.

O que são ductilidade e fragilidade?

Enquanto a fragilidade refere-se à propensão de um material a fraturar ou quebrar em vez de dobrar plasticamente sob pressão de tração, a ductilidade refere-se à capacidade de um material sólido de fazê-lo.

Quais são os tipos de fragilidade?

As fraturas transgranulares e intergranulares são as duas principais formas de fraturas frágeis.

A fragilidade é uma propriedade do metal?

Cerâmica, vidro e metais frios geralmente compõem a maioria dos materiais frágeis. A fragilidade do metal ajuda a identificar a temperatura limite de resfriamento na qual um material dúctil se torna quebradiço.

O que é um material frágil?

Vidro, cerâmica, grafite e algumas ligas com plasticidade muito baixa são exemplos de materiais frágeis. Nesses materiais, as trincas podem começar sem deformação plástica e progredir rapidamente para quebra frágil.

Em resumo

A fragilidade é uma propriedade essencial a ser considerada na seleção de materiais para um projeto. Refere-se à tendência de um material de fraturar sob tensão, mas apenas se deformar levemente antes de fazê-lo. Alta resistência à compressão e baixa resistência à tração são características de materiais frágeis, assim como pouca deformação, baixa resistência ao impacto e vibração da carga e alta resistência à compressão.

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