Podstawowe właściwości mechaniczne ciał stałych

Ciało stałe jest jednym z czterech stanów materii, w tym osocza, które mogą istnieć w przyrodzie. Ten stan materii charakteryzuje się tym, że opiera się każdej działającej na nią zewnętrznej sile, która zmienia kształt i objętość ciała. Innymi słowy, właściwości mechaniczne ciał stałych są ich cechą odróżniającą.

Krystaliczne i bezpostaciowe ciała stałe

Przed przystąpieniem do rozważań nad właściwościami mechanicznymi ciał stałych należy stwierdzić, że mają one dwa typy w swojej strukturze atomowej:

• kryształy;
• stan amorficzny.

W ciałach krystalicznych zachowany jest porządek dalekiego zasięgu, to znaczy znający położenie atomów w pewnej minimalnej objętości substancji, można opisać położenie wszystkich innych atomów kryształu, tłumacząc atomy, które są w minimalnej objętości na pewne wektory translacji.

W amorficznych ciałach nie ma porządku dalekiego zasięgu, ale istnieje uporządkowanie o krótkim zasięgu w układzie atomów, to znaczy sąsiednie atomy danego atomu tworzą lokalną strukturę klastra, która jest taka sama dla wszystkich atomów ciała amorficznego.

Różnica we właściwościach kryształów i ciał bezpostaciowych

Ze względu na różnice w wewnętrznej strukturze kryształów i brył amorficznych, wiele ich właściwości jest różnych, na przykład krystaliczne substancje mają określoną temperaturę topnienia, dla ciał bezpostaciowych wartość ta nie jest stała. Kryształy charakteryzują się anizotropią, czyli zależnością różnych właściwości fizycznych od kierunku przestrzennego, natomiast ciała amorficzne są izotropowe.

Przykładami kryształów są stałe tlenki, siarczany, metale, węgliki. Substancje amorficzne obejmują szkło, polimery, gumę.

Wiązanie chemiczne w bryłach

Mechaniczne właściwości ciał stałych są w dużej mierze zdeterminowane przez rodzaj wiązań chemicznych, które tworzą te ciała. Dostępne są następujące rodzaje komunikacji:

• Molekularny. Charakter tego połączenia leży w dipolowo-dipolowych interakcjach elektrycznych, które powstają w wyniku chwilowej polaryzacji atomów składających się z ujemnie naładowanej powłoki elektronowej i dodatnio naładowanego jądra atomowego. Również ten związek nazywa się Van der Waalsa. Żywym przykładem takich kryształów są prawie wszystkie związki organiczne, a także siarka.
• Kowalencyjne. Ten rodzaj wiązania jest wystarczająco silny, aby się uformować wiązanie kowalencyjne kiedy zewnętrzne powłoki elektronów sąsiednich atomów zachodzą na siebie. Na przykład kryształ diamentu powstaje wyłącznie za pomocą wiązań kowalencyjnych.
• Metaliczny. Ten rodzaj wiązania jest charakterystyczny dla metali i stopów. Metalowa więź jest wystarczająco trwały. Powstał w wyniku socjalizacji elektronów atomowych, których całość nazywana jest gazem elektronowym. Ten gaz elektronowy jest rozprowadzany w sieci krystalicznej metalu, którego węzłami są kationy atomów.
• Ionic Ta relacja powstaje dzięki interakcjom kulombowskim i jest dość silna. Doskonały przykład kryształów z wiązanie jonowe jest kryształem NaCl, w którym dodatnie jony sodu są otoczone ujemnymi jonami chloru.

W poniższym artykule wymieniono właściwości mechaniczne ciał stałych, które są w dużej mierze związane z rodzajem wiązania między ich składowymi cząstkami i rodzajem przestrzennego ułożenia tych cząstek.

Elastyczne odkształcenie

W przeciwieństwie do gazów i cieczy, charakterystyczną właściwością mechaniczną ciał stałych jest ich zdolność do elastycznego odkształcania. Pod elastyczną deformacją odnosi się do zdolności ciała do zmiany kształtu po wystawieniu na działanie sił zewnętrznych, ale potem ponownie do przywrócenia pierwotnej formy, gdy działanie tych sił ustaje.

Elastyczne odkształcenie jest opisane przez prawo Hooke'a. Własność mechaniczna ciał stałych - elastyczność w uogólnionym prawie Hooke'a ma postać: _σi = Σ _{k, l} C _ijkl ε _kl , gdzie σ _ij to tensor naprężeń drugiego rzędu, C _ijkl są stałymi sprężystymi dla danej substancji, ε _kl jest względnym tensorem deformacji. Dla przypadku liniowego i izotropowego, na przykład rozciąganie sprężyste pręta metalowego, prawo Hooke'a przyjmuje postać: σ = Eε, gdzie E jest modułem Younga dla danego materiału.

Prawo Hooke'a na wiosnę

Jedną z prostych formuł właściwości mechanicznych ciał stałych jest prawo Hooke'a dotyczące sprężyny, które można zapisać jako: F = - kx, gdzie F jest siłą zewnętrzną, sprężyną rozciągającą lub ściskającą, x jest wartością bezwzględną ściskania lub napięcia sprężyny od jej położenia równowagi w przypadku braku działania siła zewnętrzna, k jest stałą sprężystą, która zależy od materiału, z którego wykonana jest sprężyna, a także od jej długości.

Zgodnie z prawem Hooke'a możliwe jest określenie energii, którą sprężyna magazynuje przez zmianę jej długości o x, energia ta jest określona wzorem: E = ½kx ² .

Odkształcenie plastyczne

Każdy materiał ma pewną granicę wartości względnego odkształcenia, po czym może się zapaść lub zacząć odkształcać plastycznie. Przez plastyczne odkształcenie rozumie się zmianę kształtu ciała, która pozostaje po ustaniu siły zewnętrznej, która ją spowodowała.

Nie wszystkie ciała stałe mogą plastycznie odkształcić się, na przykład, ciała, w których wiązanie chemiczne jest kowalencyjne lub jonowe, są kruche, to znaczy po przekroczeniu granicy naprężenia sprężystego ulegają zniszczeniu. Odkształcenie plastyczne jako właściwość mechaniczna ciał stałych jest wyraźne w materiałach metalicznych. Metale mogą plastycznie odkształcać się o dziesiątki, a nawet setki procent bez uszkodzeń mechanicznych. Ta właściwość metali wynika z ich osobliwości siatki krystaliczne oraz obecność w nich specjalnych struktur atomowych - dyslokacji.

Plastyczność i ciągliwość

Badanie właściwości mechanicznych ciał stałych dotyczy również ciągliwości i plastyczności, które są odmianami odkształceń plastycznych.

Charakterystyka zdolności niektórych materiałów, takich jak metale, do wykazania trwałego odkształcenia plastycznego o setki i tysiące procent bez mechanicznego zniszczenia. Plastyczność pozwala uzyskać drut. Nie należy sądzić, że lepkie materiały nie mogą się zwinąć, jednak w przeciwieństwie do nielotnych materiałów ich zniszczenie następuje po tym, jak ich odkształcenia osiągną duże wartości.

Plastyczność jest ważną właściwością mechaniczną ciał stałych w fizyce, która charakteryzuje zdolność plastycznego odkształcania materiału bez zniszczenia w wyniku narażenia na wysokie ciśnienia. W przeciwieństwie do elastyczności, która pozwala uzyskać cienkie włókna, dobra ciągliwość pozwala uzyskać cienkie płyty. Złoto, platyna, srebro, miedź i żelazo mają dobrą plastyczność.

Przejście kruche-lepkie

Kruchość i lepkość są podstawowymi właściwościami mechanicznymi ciał stałych, ponieważ charakteryzują proces niszczenia danego materiału. Usterka mechaniczna występuje, gdy naprężenie zewnętrzne przekracza określoną wartość lub wartość odkształcenia staje się znacząca. W tym przypadku materiał jest niszczony z powodu rozprzestrzeniania się w nim pęknięć, ponieważ maksymalne lokalne naprężenia znajdują się na wierzchołku pęknięcia.

Klasyfikacja kruchego i lepkiego pęknięcia opiera się na ilości energii pochłoniętej podczas tego zniszczenia, która jest określana jako iloczyn działających naprężeń i wielkości deformacji ciała. Przykłady substancji, które rozkładają się kruche, to znaczy, że ich energia niszczenia jest niewielka, są to materiały szklane i ceramiczne.

Niszczenie metali w pewnych temperaturach jest lepkie, to znaczy wiąże się z pochłanianiem dużych ilości energii. Należy zauważyć, że temperatura, jak również skład chemiczny i struktura ciała stałego, są głównymi czynnikami, które określają, czy zniszczenie będzie kruche, czy też lepkie.

Znajomość kruchej lepkości temperatury przejścia dla danego materiału jest ważna przed użyciem tego materiału w dowolnych konstrukcjach.

Twardość ciała

Jeśli mówimy pokrótce o właściwościach mechanicznych ciał stałych, nie możemy nie wspomnieć o twardości, która charakteryzuje zdolność organizmu do powstrzymywania penetracji i zużycia ściernego. Na przykład drzewo może być łatwo porysowane, co oznacza, że ​​nie ma dużej twardości. Wręcz przeciwnie, każdy metal jest bardzo trudny do zniesienia, to znaczy, że wartość twardości jest dla niego wielka.

Jest to przy użyciu metody "drapania" jednym ciałem drugim, które można określić względną twardość. Ciała stałe, które są utworzone przez wiązania kowalencyjne, mają duże wartości twardości, a diament jest najtwardszym materiałem naturalnym.

Nowoczesne metody pomiaru twardości

Do badania właściwości mechanicznych ciał stałych pod względem twardości stosuje się różne nowoczesne instalacje, których zasadą działania jest wciskanie wgłębnika w materiał, a następnie pomiar głębokości jego wprowadzania pod danym obciążeniem. W skali przemysłowej stosuje się następujące metody pomiaru twardości:

• Twardość Brinella. Jako materiał wgłębny stosuje się węglik wolframu lub utwardzaną stal. Wcięcie samo w sobie reprezentuje piłkę. Metoda ta jest łatwa do wdrożenia, ale w niektórych przypadkach jej dokładność jest niewystarczająca, na przykład podczas pomiaru materiałów stałych lub płyt o grubości mniejszej niż 6 mm.
• Twardość Rockwella. Wgłębnikiem w tej metodzie pomiaru twardości jest mały diamentowy stożek. Ta metoda jest wystarczająco dokładna i nadaje się do pomiaru określonych właściwości fizycznych dowolnych materiałów.
• Twardość Vickersa. Piramida diamentowa jest używana jako wgłębnik. Ta metoda jest ulepszoną wersją pomiaru twardości Brinella, ponieważ pozwala zmierzyć twardość płytek, których grubość przekracza 2 mm.