Độ Giòn Là Gì? Định Nghĩa Và Ý Nghĩa

Độ Giòn Là Gì?

Độ giòn mô tả tính chất của vật liệu bị đứt gãy khi chịu tác động của ứng suất nhưng có một chút xu hướng biến dạng trước khi vỡ. Vật liệu giòn có đặc điểm là ít biến dạng, khả năng chống va đập và rung động của tải kém, độ bền nén cao, độ bền kéo thấp. Hầu hết các vật liệu phi kim loại vô cơ là vật liệu giòn.

Vật liệu giòn nếu khi chịu tác dụng của ứng suất, nó bị đứt gãy với ít biến dạng đàn hồi và không có biến dạng dẻo đáng kể. Vật liệu giòn hấp thụ tương đối ít năng lượng trước khi bị đứt gãy, ngay cả những vật liệu có độ bền cao. Tiếng vỡ thường đi kèm với âm thanh vỡ vụn.

Khi được sử dụng trong khoa học vật liệu, nó thường được áp dụng cho các vật liệu hỏng khi có ít hoặc không có biến dạng dẻo trước khi hỏng. Một bằng chứng là khớp các nửa bị gãy, phải khớp chính xác vì không xảy ra biến dạng dẻo.

Khi kim loại và polyme được làm nguội dưới nhiệt độ tới hạn dễ uốn đến nhiệt độ chuyển tiếp giòn (DBTT) hoặc nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh (Tg) tương ứng, chúng trở nên giòn. Sự thay đổi nhanh chóng này là một thảm họa, đặc biệt là khi các lực tác động lên cơ thể. Sự lan truyền vết nứt được lưu ý là vuông góc với các lực tác dụng xảy ra qua các hạt phân tử hoặc ranh giới hạt.

Nhiệt độ trong trường hợp này kiểm soát cấu trúc phân tử của vật liệu khiến nó không giữ được tính đàn hồi, do đó dẫn đến hỏng vật liệu. Về cơ bản, tất cả các vật liệu cuối cùng sẽ hỏng khi vượt quá giới hạn, nhưng trong trường hợp nó bị hỏng trước bất kỳ sự thay đổi nào về hình dạng và kích thước hình học, thì vật liệu đó sẽ rơi vào tình trạng giòn.

Vật liệu không giòn xảy ra khi có hai điều kiện:

• Ứng suất tác động lên bề mặt vật liệu
• Nhiệt độ xung quanh dưới điểm nóng chảy của vật liệu

Độ Giòn Trong Các Vật Liệu Khác Nhau

1. Polyme

Các đặc tính cơ học của polyme có thể nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ gần nhiệt độ phòng. Ví dụ, poly (metyl metacrylat) cực kỳ giòn ở nhiệt độ 4˚C, nhưng độ dẻo tăng lên khi nhiệt độ tăng.

Polyme vô định hình là các polyme có thể hoạt động khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau. Chúng có thể hoạt động giống như thủy tinh ở nhiệt độ thấp (vùng thủy tinh), chất rắn cao su ở nhiệt độ trung bình (vùng chuyển tiếp bằng da hoặc thủy tinh), và chất lỏng nhớt ở nhiệt độ cao hơn (vùng chảy cao su và vùng chảy nhớt).

Hành vi này được gọi là hành vi đàn hồi. Trong vùng thủy tinh, polyme vô định hình sẽ cứng và giòn. Khi tăng nhiệt độ, polyme sẽ trở nên kém giòn hơn.

2. Kim Loại

Một số kim loại có đặc điểm giòn do hệ thống trượt của chúng. Kim loại càng có nhiều hệ thống trượt thì kim loại càng ít giòn vì biến dạng dẻo có thể xảy ra dọc theo nhiều hệ thống trượt này. Ngược lại, với ít hệ thống trượt hơn, ít biến dạng dẻo có thể xảy ra hơn, và kim loại sẽ giòn hơn. Ví dụ, kim loại HCP (hình lục giác đóng chặt) có ít hệ thống trượt hoạt động và thường giòn.

3. Gốm Sứ

Gốm sứ thường giòn do khó chuyển động lệch vị trí hoặc trượt. Có rất ít hệ thống trượt trong gốm kết tinh mà sự trật khớp có thể di chuyển dọc theo, điều này gây khó khăn cho việc biến dạng và làm cho gốm trở nên giòn hơn.

Vật liệu gốm thường thể hiện liên kết ion. Do điện tích của các ion và lực đẩy của chúng đối với các ion tương tự, nên sự trượt bị hạn chế hơn nữa.

Làm Thế Nào Để Vật Liệu Chuyển Sang Giòn?

Vật liệu có thể được thay đổi để trở nên giòn hơn hoặc ít giòn hơn.

Cường Độ Cao

Khi một vật liệu đã đạt đến giới hạn độ bền của nó, nó thường có tùy chọn biến dạng hoặc đứt gãy. Một kim loại dễ uốn tự nhiên có thể được làm mạnh hơn bằng cách cản trở các cơ chế của biến dạng dẻo nhưng nếu điều này quá nghiêm trọng thì khả năng xảy ra gãy sẽ cao hơn và vật liệu có thể trở nên giòn. Do đó, cải thiện độ dẻo dai của vật liệu là một hành động cân bằng.

Các vật liệu giòn tự nhiên, chẳng hạn như thủy tinh, không khó để gia cố hiệu quả. Hầu hết các kỹ thuật như vậy liên quan đến một trong hai cơ chế: làm lệch hoặc hấp thụ đầu của vết nứt lan truyền hoặc tạo ra ứng suất dư được kiểm soát cẩn thận để các vết nứt từ một số nguồn có thể đoán trước sẽ bị buộc đóng lại.

Nguyên tắc đầu tiên được sử dụng trong kính nhiều lớp trong đó hai tấm kính được ngăn cách bởi một lớp polyvinyl butyral xen kẽ. Polyvinyl butyral, như một polyme dẻo, hấp thụ vết nứt đang phát triển. Phương pháp thứ hai được sử dụng trong kính cường lực và bê tông dự ứng lực.

Prince Rupert’s Drop đã cung cấp một minh chứng về độ cứng của kính. Các polyme giòn có thể được làm cứng bằng cách sử dụng các hạt kim loại để tạo ra các cơn lốc khi một mẫu bị căng thẳng, một ví dụ điển hình là polystyrene có tác động cao hoặc HIPS. Gốm có cấu trúc ít giòn nhất là cacbua silic và zirconia bền chuyển hóa.

Một triết lý khác được sử dụng trong vật liệu composite, ví dụ như sợi thủy tinh giòn được nhúng trong một ma trận dễ uốn như nhựa polyester. Khi bị căng, các vết nứt được hình thành tại mặt phân cách thủy tinh – ma trận, nhưng rất nhiều vết nứt được hình thành nên năng lượng được hấp thụ nhiều và vật liệu do đó được cứng lại. Nguyên tắc tương tự cũng được sử dụng trong việc tạo ra vật liệu tổng hợp ma trận kim loại.

Ảnh Hưởng Của Áp Suất

Nói chung, độ bền giòn của vật liệu có thể được tăng lên do áp suất. Điều này xảy ra như một ví dụ trong vùng chuyển tiếp giòn-dẻo ở độ sâu xấp xỉ 10 km (6,2 mi) trong vỏ Trái đất, tại đó đá ít có khả năng bị đứt gãy hơn và có nhiều khả năng biến dạng dẻo hơn.

Câu Hỏi Thường Gặp.