Solid materiale representerer en av de fire aggregeringstilstandene som materien rundt oss kan være i. I denne artikkelen vil vi vurdere hvilke mekaniske egenskaper som er iboende i faste stoffer, og tar hensyn til særegenhetene ved deres indre struktur.
Hva er et solid materiale?
Kanskje alle kan svare på dette spørsmålet. Et stykke jern, en datamaskin, bestikk, biler, fly, stein, snø er alle eksempler på faste stoffer. Fra et fysisk synspunkt forstås den faste aggregerte tilstanden til materie som dens evne til å beholde sin form og volum under ulike mekaniske påvirkninger. Det er disse mekaniske egenskapene til faste stoffer som skiller dem fra gasser, væsker og plasmaer. Merk at væsken også beholder volumet (er ikke komprimerbar).
Eksemplene ovenfor på solide materialer vil bidra til å forstå tydeligere hvilken viktig rolle de spiller for menneskelivet og den teknologiske utviklingen av samfunnet.
Det er flere fysiske og kjemiske disipliner som studerer materiens tilstand under vurdering. Vi viser bare de viktigste av dem:
- solid fysikkbody;
- deformasjonsmekanikk;
- materials science;
- solid kjemi.
Struktur av harde materialer
Før man vurderer de mekaniske egenskapene til faste stoffer, bør man gjøre seg kjent med deres indre struktur på atomnivå.
Variasjonen av solide materialer i deres struktur er stor. Ikke desto mindre er det en universell klassifisering, som er basert på kriteriet om periodisiteten til arrangementet av elementene (atomer, molekyler, atomklynger) som utgjør kroppen. I henhold til denne klassifiseringen er alle faste stoffer delt inn i følgende:
- krystallinsk;
- amorf.
La oss starte med den andre. En amorf kropp har ikke noen ordnet struktur. Atomer eller molekyler i den er ordnet tilfeldig. Denne funksjonen fører til isotropien av egenskapene til amorfe materialer, det vil si at egenskapene ikke avhenger av retningen. Det mest slående eksemplet på en amorf kropp er glass.
Krystallinske legemer eller krystaller har, i motsetning til amorfe materialer, et arrangement av strukturelle elementer ordnet i rommet. På mikroskalaen kan de skille mellom krystallinske plan og parallelle atomrekker. På grunn av denne strukturen er krystallene anisotrope. Dessuten manifesterer anisotropi seg ikke bare i de mekaniske egenskapene til faste stoffer, men også i egenskapene til elektriske, elektromagnetiske og andre. For eksempel kan en turmalinkrystall bare overføre vibrasjoner av en lysbølge i én retning, noe som fører tilpolarisering av elektromagnetisk stråling.
Eksempler på krystaller er nesten alle metalliske materialer. De finnes oftest i tre krystallgitter: ansiktssentrert og kroppssentrert kubikk (henholdsvis fcc og bcc) og sekskantet tettpakket (hcp). Et annet eksempel på krystaller er vanlig bords alt. I motsetning til metaller inneholder nodene ikke atomer, men kloridanioner eller natriumkationer.
Elastisitet er hovedegenskapen til alle harde materialer
Ved å påføre selv den minste belastning på et fast stoff, får vi det til å deformeres. Noen ganger kan deformasjonen være så liten at den ikke kan merkes. Imidlertid deformeres alle faste materialer når en ekstern belastning påføres. Hvis deformasjonen forsvinner etter å ha fjernet denne lasten, så snakker de om materialets elastisitet.
Et levende eksempel på fenomenet elastisitet er kompresjonen av en metallfjær, som er beskrevet av Hookes lov. Gjennom kraften F og den absolutte spenningen (kompresjon) x skrives denne loven som følger:
F=-kx.
Her er k et tall.
Når det gjelder bulkmetaller, er Hookes lov vanligvis skrevet i form av påført ytre spenning σ, relativ tøyning ε og Youngs modul E:
σ=Eε.
Youngs modul er en konstant verdi for et bestemt materiale.
Strekk ved elastisk deformasjon, som skiller den fra plastisk deformasjon, er reversibilitet. Relative endringer i størrelsen på faste stoffer under elastisk deformasjon overstiger ikke 1%. Oftest ligger de i området 0,2 %. De elastiske egenskapene til faste stoffer er preget av fraværet av forskyvning av posisjonene til strukturelle elementer i krystallgitteret til materialet etter avslutningen av den ytre belastningen.
Hvis den ytre mekaniske kraften er stor nok, kan du se gjenværende deformasjon etter at dens virkning på kroppen er avsluttet. Det heter plast.
Plastisitet av faste stoffer
Vi har vurdert de elastiske egenskapene til faste stoffer. La oss nå gå videre til egenskapene til plastisiteten deres. Mange vet og har observert at hvis du slår en spiker med en hammer, blir den flat. Dette er et eksempel på plastisk deformasjon. På atomnivå er det en kompleks prosess. Plastisk deformasjon kan ikke forekomme i amorfe legemer, så glasset deformeres ikke når det treffes, men kollapser.
Solide legemer og deres evne til plastisk deformering avhenger av den krystallinske strukturen. Den betraktede irreversible deformasjonen oppstår på grunn av bevegelsen av spesielle atomkomplekser i volumet av krystallen, som kalles dislokasjoner. Sistnevnte kan være av to typer (marginal og skrue).
Av alle faste materialer har metaller den største plastisiteten, siden de gir et stort antall glideplaner rettet i forskjellige vinkler i rommet for dislokasjoner. Omvendt vil materialer med kovalente eller ioniske bindinger være sprø. Disse kan tilskrivesedelstener eller det nevnte bords altet.
skjørhet og seighet
Hvis du hele tiden bruker en ekstern kraft på et fast materiale, vil det før eller siden kollapse. Det er to typer ødeleggelse:
- fragile;
- viskøs.
Den første er preget av utseende og rask vekst av sprekker. Sprø brudd fører til katastrofale konsekvenser i produksjonen, derfor prøver de å bruke materialer og deres driftsforhold der ødeleggelsen av materialet vil være duktil. Sistnevnte er preget av langsom sprekkvekst og absorpsjon av en stor mengde energi før feil.
For hvert materiale er det en temperatur som kjennetegner den sprø-duktile overgangen. I de fleste tilfeller endrer en temperaturreduksjon bruddet fra duktilt til sprøtt.
Sykliske og permanente belastninger
I ingeniørfag og fysikk er egenskapene til faste stoffer også preget av typen belastning som påføres dem. Så en konstant syklisk effekt på materialet (for eksempel spenningskompresjon) er beskrevet av den såk alte utmattelsesmotstanden. Den viser hvor mange sykluser med påføring av en bestemt belastning materialet garantert tåler uten å gå i stykker.
Tretthet av et materiale studeres også under konstant belastning, ved å måle tøyningshastigheten over tid.
materialens hardhet
En av de viktige mekaniske egenskapene til faste stoffer er hardhet. Hun definerermaterialets evne til å forhindre innføring av et fremmedlegeme i det. Empirisk er det veldig enkelt å finne ut hvilken av de to kroppene som er vanskeligere. Det er bare nødvendig å skrape en av dem med den andre. Diamant er den hardeste krystallen. Det vil ripe opp alt annet materiale.
Andre mekaniske egenskaper
Harde materialer har noen andre mekaniske egenskaper enn de som er nevnt ovenfor. Vi viser dem kort:
- duktilitet - evnen til å anta ulike former;
- duktilitet - evnen til å strekke seg til tynne tråder;
- evne til å motstå spesielle typer deformasjoner, for eksempel bøying eller vridning.
Dermed bestemmer den mikroskopiske strukturen til faste stoffer i stor grad egenskapene deres.
