Fast material representerar ett av de fyra aggregationstillstånd där materien omkring oss kan vara. I den här artikeln kommer vi att överväga vilka mekaniska egenskaper som är inneboende i fasta ämnen, med hänsyn till särdragen hos deras inre struktur.
Vad är ett fast material?
Kanske alla kan svara på den här frågan. En bit järn, en dator, bestick, bilar, flygplan, sten, snö är alla exempel på fasta ämnen. Ur en fysisk synvinkel förstås materiens fasta aggregerade tillstånd som dess förmåga att behålla sin form och volym under olika mekaniska påverkan. Det är dessa mekaniska egenskaper hos fasta ämnen som skiljer dem från gaser, vätskor och plasma. Observera att vätskan också behåller volymen (är inkompressibel).
Ovanstående exempel på solida material kommer att hjälpa till att tydligare förstå vilken viktig roll de spelar för mänskligt liv och samhällets tekniska utveckling.
Det finns flera fysikaliska och kemiska discipliner som studerar materiens tillstånd som övervägs. Vi listar bara de viktigaste av dem:
- fast fysikbody;
- deformationsmekanik;
- materialvetenskap;
- solid kemi.
Struktur av hårda material
Innan man överväger de mekaniska egenskaperna hos fasta ämnen bör man bekanta sig med deras inre struktur på atomnivå.
Mångfalden av solida material i deras struktur är stor. Ändå finns det en universell klassificering, som är baserad på kriteriet för periodiciteten för arrangemanget av elementen (atomer, molekyler, atomkluster) som utgör kroppen. Enligt denna klassificering delas alla fasta ämnen in i följande:
- kristallina;
- amorf.
Låt oss börja med den andra. En amorf kropp har inte någon ordnad struktur. Atomer eller molekyler i den är ordnade slumpmässigt. Denna funktion leder till isotropin av egenskaperna hos amorfa material, det vill säga egenskaperna beror inte på riktningen. Det mest slående exemplet på en amorf kropp är glas.
Kristallina kroppar eller kristaller, till skillnad från amorfa material, har ett arrangemang av strukturella element ordnade i rymden. På mikroskalan kan de skilja mellan kristallina plan och parallella atomrader. På grund av denna struktur är kristallerna anisotropa. Dessutom manifesterar anisotropi sig inte bara i de mekaniska egenskaperna hos fasta ämnen, utan också i egenskaperna hos elektriska, elektromagnetiska och andra. Till exempel kan en turmalinkristall bara överföra vibrationer från en ljusvåg i en riktning, vilket leder tillpolarisering av elektromagnetisk strålning.
Exempel på kristaller är nästan alla metalliska material. De finns oftast i tre kristallgitter: ansiktscentrerade och kroppscentrerade kubiska (fcc respektive bcc) och sexkantiga tätpackade (hcp). Ett annat exempel på kristaller är vanligt bordss alt. Till skillnad från metaller innehåller dess noder inte atomer, utan kloridanjoner eller natriumkatjoner.
Elasticitet är huvudegenskapen hos alla hårda material
Genom att applicera även den minsta påfrestning på ett fast ämne får vi det att deformeras. Ibland kan deformationen vara så liten att den inte kan märkas. Men alla fasta material deformeras när en extern belastning appliceras. Om deformationen försvinner efter att denna belastning tagits bort, talar de om materialets elasticitet.
Ett levande exempel på fenomenet elasticitet är kompressionen av en metallfjäder, som beskrivs av Hookes lag. Genom kraften F och den absoluta spänningen (kompressionen) x skrivs denna lag på följande sätt:
F=-kx.
Här är k ett nummer.
I fallet med bulkmetaller skrivs Hookes lag vanligtvis i termer av den applicerade yttre spänningen σ, relativ töjning ε och Youngs modul E:
σ=Eε.
Youngs modul är ett konstant värde för ett visst material.
Funktionen hos elastisk deformation, som skiljer den från plastisk deformation, är reversibilitet. Relativa förändringar i storleken på fasta ämnen under elastisk deformation överstiger inte 1%. Oftast ligger de i området 0,2%. De elastiska egenskaperna hos fasta ämnen kännetecknas av frånvaron av förskjutning av positionerna för strukturella element i materialets kristallgitter efter det att den yttre belastningen upphört.
Om den yttre mekaniska kraften är tillräckligt stor, kan du efter att dess verkan på kroppen upphört se den kvarvarande deformationen. Det kallas plast.
Plasticitet hos fasta ämnen
Vi har övervägt de elastiska egenskaperna hos fasta ämnen. Låt oss nu gå vidare till egenskaperna hos deras plasticitet. Många vet och har observerat att om man slår en spik med en hammare så blir den tillplattad. Detta är ett exempel på plastisk deformation. På atomnivå är det en komplex process. Plastisk deformation kan inte förekomma i amorfa kroppar, så glaset deformeras inte när det träffas, utan kollapsar.
Fasta kroppar och deras förmåga att plastiskt deformeras beror på den kristallina strukturen. Den övervägda irreversibla deformationen uppstår på grund av rörelsen av speciella atomkomplex i kristallens volym, som kallas dislokationer. Den senare kan vara av två typer (marginal och skruv).
Av alla fasta material har metaller den största plasticiteten, eftersom de ger ett stort antal glidplan riktade i olika vinklar i rymden för dislokationer. Omvänt kommer material med kovalenta eller joniska bindningar att vara spröda. Dessa kan tillskrivasädelstenar eller det nämnda bordss altet.
Sprödhet och seghet
Om du ständigt applicerar en yttre kraft på något fast material, kommer det förr eller senare att kollapsa. Det finns två typer av förstörelse:
- fragile;
- viskös.
Den första kännetecknas av utseende och snabb tillväxt av sprickor. Spröda sprickor leder till katastrofala konsekvenser i produktionen, därför försöker de använda material och deras driftsförhållanden under vilka förstörelsen av materialet skulle vara seg. Den senare kännetecknas av långsam spricktillväxt och absorption av en stor mängd energi innan fel.
För varje material finns en temperatur som kännetecknar den spröd-duktila övergången. I de flesta fall ändrar en temperatursänkning frakturen från seg till spröd.
Cykliska och permanenta belastningar
Inom teknik och fysik kännetecknas fasta ämnens egenskaper också av typen av belastning som de utsätts för. Så en konstant cyklisk effekt på materialet (till exempel spänningskompression) beskrivs av den så kallade utmattningsmotståndet. Den visar hur många cykler av applicering av en viss mängd påfrestningar som materialet garanterat tål utan att gå sönder.
Trötthet hos ett material studeras också under konstant belastning, genom att mäta töjningshastigheten över tid.
materialens hårdhet
En av de viktiga mekaniska egenskaperna hos fasta ämnen är hårdhet. Hon definierarmaterialets förmåga att förhindra införandet av en främmande kropp i det. Empiriskt är det väldigt enkelt att avgöra vilken av de två kropparna som är svårare. Det är bara nödvändigt att repa en av dem med den andra. Diamant är den hårdaste kristallen. Det kommer att repa allt annat material.
Andra mekaniska egenskaper
Hårda material har några andra mekaniska egenskaper än de som anges ovan. Vi listar dem kort:
- duktilitet - förmågan att anta olika former;
- duktilitet - förmågan att sträcka sig till tunna trådar;
- förmåga att motstå speciella typer av deformation, såsom böjning eller vridning.
Den mikroskopiska strukturen hos fasta ämnen bestämmer alltså till stor del deras egenskaper.
