Osnovna mehanička svojstva krutih tvari

Čvrsto je jedno od četiri stanja materije, uključujući plazmu, koja može postojati u prirodi. Ovo stanje materije karakterizira činjenica da se opire bilo kojoj vanjskoj sili koja djeluje na nju da bi promijenila oblik i volumen tijela. Drugim riječima, mehanička svojstva krutina su njihova razlikovna karakteristika.

Kristalne i amorfne krutine

Prije razmatranja pitanja mehaničkih svojstava krutih tvari, treba reći da su dvije vrste u svojoj atomskoj strukturi:

• kristala;
• amorfno stanje.

U kristalnim tijelima je sačuvan dalekometni poredak, to jest, poznavajući položaj atoma u određenom minimalnom volumenu tvari, može se opisati položaj svih ostalih atoma kristala, pri čemu se atomi koji su u minimalnom volumenu prevedu u određene translacijske vektore.

U amorfnim tijelima nema dalekosežnog reda, ali postoji raspored kratkog dometa u rasporedu atoma, tj. Susjedni atomi za dati atom tvore lokalnu strukturu klastera, koja je ista za sve atome amorfnog tijela.

Razlika u svojstvima kristala i amorfnih tijela

Zbog razlika u unutarnjoj strukturi kristala i amorfnih tijela, mnoga njihova svojstva su različita, na primjer, kristalne tvari imaju specifičnu točku taljenja, za amorfna tijela ta vrijednost nije konstantna. Kristale karakterizira anizotropija, odnosno ovisnost različitih fizičkih svojstava o prostornom smjeru, dok su amorfna tijela izotropna.

Primjeri kristala su kruti oksidi, sulfati, metali, karbidi. Amorfne tvari uključuju staklo, polimere, gumu.

Kemijska veza u krutim tvarima

Mehanička svojstva krutih tvari u velikoj mjeri ovise o tipu kemijskih veza koje ta tijela tvore. Postoje sljedeće vrste komunikacije:

• Molekularna. Priroda ove veze leži u dipol-dipolnim električnim interakcijama, koje nastaju uslijed trenutne polarizacije atoma koji se sastoji od negativno nabijene elektronske ljuske i pozitivno nabijene atomske jezgre. Također, ovaj odnos se zove Van der Waalsa. Živopisan primjer takvih kristala su gotovo svi organski spojevi, kao i sumpor.
• Kovalentna. Ova vrsta veze je dovoljno jaka da se formira kovalentnu vezu kada se vanjske elektronske ljuske susjednih atoma preklapaju. Na primjer, kristal dijamanta se formira isključivo kovalentnim vezama.
• Metal. Ova vrsta veze karakteristična je za metale i legure. Metalna veza je dovoljno izdržljiv. Nastala je uslijed socijalizacije atomskih elektrona, čija se ukupnost naziva elektronski plin. Ovaj elektronski plin raspoređen je kroz kristalnu rešetku metala, čija su čvorišta kationi atoma.
• Ion. Taj se odnos formira zbog Coulombovih interakcija i prilično je jak. Izvrstan primjer kristala s ionske veze je kristal NaCl u kojem su pozitivni natrijevi ioni okruženi ionima negativnog klora.

U sljedećem članku navode se mehanička svojstva krutih tvari, koja su u velikoj mjeri povezana s vrstom veze između njihovih sastavnih čestica i vrste prostornog rasporeda tih čestica.

Elastična deformacija

Za razliku od plinova i tekućina, karakteristična mehanička svojstva krutina je njihova sposobnost da se elastično deformiraju. Pod elastičnom deformacijom podrazumijeva se sposobnost tijela da promijeni svoj oblik kada je izložena vanjskim silama, ali onda ponovno uspostavi prvobitni oblik kada prestane djelovanje tih sila.

Elastična deformacija opisana je Hookeovim zakonom. Mehanička svojstva elastičnosti krutih čestica u generaliziranom Hookeovom zakonu imaju oblik: σ _ij = Σ _{k, l} C _ijkl ε _kl , gdje je σ _ij tenzor napona drugog reda, C _ijkl su elastične konstante za određenu tvar, ε _kl je relativni tenzor deformacije. Za linearni i izotropni slučaj, na primjer, elastično istezanje metalne šipke, Hookeov zakon poprima oblik: σ = Eε, gdje je E Youngov modul za određeni materijal.

Hookov zakon za proljeće

Jedna od jednostavnih formula za mehanička svojstva krutina je Hookeov zakon za oprugu, koji se može napisati kao: F = - kx, gdje je F vanjska sila, vlačna ili tlačna opruga, x je apsolutna vrijednost kompresije ili napetosti opruge iz ravnotežnog položaja u odsustvu djelovanja vanjska sila, k je elastična konstanta, koja ovisi o materijalu iz kojeg se izrađuje opruga, kao io njenoj duljini.

Prema Hookeovom zakonu, moguće je odrediti energiju koju opruga skladišti promjenom njezine duljine za količinu x, koja se određuje pomoću formule: E = ½kx ² .

Plastična deformacija

Svaki materijal ima određenu granicu vrijednosti relativne deformacije, nakon čega se može ili kolapsirati ili početi plastično deformirati. Pod plastičnom deformacijom podrazumijeva se promjena oblika tijela, koja ostaje nakon prestanka vanjske sile koja ga je uzrokovala.

Ne mogu se sve krute tvari plastično deformirati, na primjer, tijela u kojima je kemijska veza kovalentna ili ionska krhka, to jest, nakon prekoračenja granice elastičnog naprezanja, one se uništavaju. Plastična deformacija kao mehaničko svojstvo krutina izražena je u metalnim materijalima. Metali se mogu plastično deformirati na desetke, pa čak i na stotine posto bez mehaničkih oštećenja. Ovo svojstvo metala posljedica je njihovih osobitosti kristalne rešetke i prisutnost u njima posebnih atomskih struktura - dislokacija.

Gipkost i savitljivost

Proučavanje mehaničkih svojstava krutih tvari također se odnosi na žilavost i savitljivost, a to su različite vrste plastične deformacije.

Značajke sposobnosti nekih materijala, kao što su metali, da pokažu postojanu plastičnu deformaciju od stotina i tisuća posto bez mehaničkog uništenja. Duktilnost vam omogućuje da dobijete žicu. Ne treba misliti da se viskozni materijali ne mogu srušiti, međutim, za razliku od nehlapljivih materijala, njihovo uništavanje nastaje nakon što njihove deformacije dosegnu velike vrijednosti.

Duktilnost je važno mehaničko svojstvo krutina u fizici, koje karakterizira sposobnost plastičnog deformiranja materijala bez uništenja kao posljedice izloženosti visokim tlakovima. Za razliku od elastičnosti, koja omogućuje dobivanje tankih vlakana, dobra duktilnost omogućuje dobivanje tankih ploča. Zlato, platina, srebro, bakar i željezo imaju dobru savitljivost.

Kruti-viskozni prijelaz

Krhkost i viskoznost osnovna su mehanička svojstva krutih tvari jer karakteriziraju proces uništavanja određenog materijala. Mehanički kvar nastaje kada vanjski napon prelazi određenu vrijednost ili vrijednost naprezanja postaje značajna. U tom slučaju materijal se uništava zbog širenja pukotina u njemu, budući da su maksimalna lokalna naprezanja smještena na vrhu pukotine.

Klasifikacija krhkog i viskoznog oštećenja temelji se na količini apsorbirane energije tijekom tog uništenja, koja se definira kao proizvod djelovanja naprezanja i količine deformacije tijela. Primjeri tvari koje lome krhke, tj. Njihova energija razaranja je mala, su stakleni i keramički materijali.

Razaranje metala na određenim temperaturama je viskozno, odnosno dolazi do apsorpcije velikih količina energije. Treba napomenuti da su temperatura, kao i kemijski sastav i struktura krutine glavni faktori koji određuju da li će razaranje biti krhko ili viskozno.

Poznavanje temperature krhkog i viskoznog prijelaza za određeni materijal važno je prije upotrebe ovog materijala u bilo kojoj konstrukciji.

Tvrdoća tijela

Ako ukratko govorimo o mehaničkim svojstvima krutih tvari, ne možemo ne spomenuti tvrdoću koja karakterizira sposobnost tijela da se odupre prodiranju u nju i abrazivnom trošenju. Na primjer, drvo se lako može izgrebati, što znači da nema veliku tvrdoću. Naprotiv, bilo koji metal je vrlo teško ogrebati, to jest, vrijednost tvrdoće je odlična za to.

Koristeći metodu "grebanja" jednog tijela s drugom, može se odrediti relativna tvrdoća. Krute tvari, koje se formiraju kovalentnim vezama, imaju velike vrijednosti tvrdoće, a dijamant je najteži prirodni materijal.

Suvremene metode mjerenja tvrdoće

Za proučavanje mehaničkih svojstava krutih tvari u pogledu tvrdoće koriste se različita suvremena postrojenja, čije se djelovanje sastoji u pritiskanju indentera u materijal i mjerenju dubine njegovog uvođenja pod određeno opterećenje. U industrijskom mjerilu koriste se sljedeće metode za mjerenje tvrdoće:

• Brinellova tvrdoća. Volfram karbid ili kaljeni čelik koristi se kao materijal za uvlačenje. Sam indenter predstavlja loptu. Ova metoda je jednostavna za provedbu, ali u nekim slučajevima njezina točnost nije dovoljna, na primjer, kod mjerenja krutih materijala ili ploča debljine manje od 6 mm.
• Rockwell tvrdoća. Indenter u ovoj metodi za mjerenje tvrdoće je konus dijamanta male veličine. Ova metoda je dovoljno točna i prikladna je za mjerenje specificiranih fizikalnih svojstava bilo kojeg materijala.
• Tvrdoća po Vickersu. Dijamantna piramida se koristi kao indenter. Ova metoda je poboljšana verzija mjerenja tvrdoće po Brinellu, jer omogućuje mjerenje tvrdoće ploča, čija debljina prelazi 2 mm.