脆性

脆性と脆性破壊

脆性とは、物質がもろく壊れやすい性質のことです。少量のエネルギーで破壊してしまう材料の性質を示す技術用語であり、反対の性質としては靱性（じんせい）や展延性があります。靱性とは壊れにくい性質、展延性とは壊れることなく変形できる性質です。

「脆性」という表記は、漢字の「脆」が常用漢字に含まれていないため「ぜい性」と表記される場合もあります。本記事では学術用語に則り「脆性」と表記します。

脆性破壊のメカニズム

脆性破壊とは、材料に力が加わり、弾性変形を超えた際に、原子間の結合が切れて破壊に至る現象です。ガラスが常温で割れる様子が典型的な例です。

一方、延性破壊は、材料が塑性変形（変形後も元の形状に戻らない変形）を起こした後、破壊に至る現象です。金属材料の場合、転位と呼ばれる結晶構造の欠陥が集積し、微小な空孔（マイクロボイド）が形成、成長、合体することで破壊に至ります。

延性材料では、力が加わると、原子や転位が移動することで変形し、破壊を回避しようとします。しかし、共有結合やイオン結合のように原子が強く結合している材料では、結合力を超える力が加わると、原子が分離し、脆性破壊が起こります。

脆性破壊と延性破壊のどちらが起こるかは、材料の種類、温度、応力状態などによって大きく異なります。原子結合が切断される方が容易であれば脆性破壊、原子や転位の移動が容易であれば延性破壊が起こります。破壊が始まると応力状態が変化し、その状況に応じて脆性破壊や延性破壊が連鎖的に進行していきます。延性破壊の場合、転位などの欠陥が蓄積し、最終的にマイクロボイドが合体して破壊に至ります。

従来、脆性破壊と延性破壊は別々の現象と考えられてきましたが、実際は必ずしも排他的ではありません。脆性破壊は弾性変形の限界で起こるとされていますが、塑性変形後にも発生する可能性があります。一部が延性破壊した後に応力状態が変化し、脆性破壊が起こりやすくなると、延性破面と脆性破面が混在した破壊様相を示す場合があります。これは多くの実際の材料で観察されます。

関連事項

水素脆性については、別途解説を参照ください。

関連項目:

塑性
水素脆化
破壊力学
衝撃試験
シャルピー衝撃試験
アイゾット衝撃試験

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