Materiał stały reprezentuje jeden z czterech stanów skupienia, w których może znajdować się materia wokół nas. W tym artykule rozważymy, jakie właściwości mechaniczne tkwią w ciałach stałych, biorąc pod uwagę specyfikę ich struktury wewnętrznej.
Co to jest materiał stały?
Być może każdy może odpowiedzieć na to pytanie. Kawałek żelaza, komputer, sztućce, samochody, samoloty, kamień, śnieg to przykłady brył. Z fizycznego punktu widzenia, stan skupienia materii w stanie stałym jest rozumiany jako jego zdolność do zachowania kształtu i objętości pod różnymi wpływami mechanicznymi. To właśnie te właściwości mechaniczne ciał stałych odróżniają je od gazów, cieczy i plazmy. Zauważ, że płyn zachowuje również objętość (jest nieściśliwy).
Powyższe przykłady materiałów stałych pomogą lepiej zrozumieć, jak ważną rolę odgrywają one w życiu człowieka i rozwoju technologicznym społeczeństwa.
Istnieje kilka dyscyplin fizycznych i chemicznych, które badają rozważany stan materii. Wymieniamy tylko najważniejsze z nich:
- fizyka ciała stałegociało;
- mechanika deformacji;
- nauka o materiałach;
- chemia stała.
Struktura twardych materiałów
Przed rozważeniem właściwości mechanicznych ciał stałych należy zapoznać się z ich wewnętrzną strukturą na poziomie atomowym.
Różnorodność materiałów stałych w ich strukturze jest ogromna. Niemniej jednak istnieje uniwersalna klasyfikacja, która opiera się na kryterium okresowości ułożenia pierwiastków (atomów, molekuł, klastrów atomowych) tworzących ciało. Zgodnie z tą klasyfikacją wszystkie ciała stałe dzielą się na:
- krystaliczny;
- amorficzny.
Zacznijmy od drugiego. Ciało amorficzne nie ma uporządkowanej struktury. Znajdujące się w nim atomy lub cząsteczki są ułożone losowo. Ta cecha prowadzi do izotropii właściwości materiałów amorficznych, to znaczy właściwości nie zależą od kierunku. Najbardziej uderzającym przykładem ciała amorficznego jest szkło.
Ciała krystaliczne lub kryształy, w przeciwieństwie do materiałów amorficznych, mają układ elementów strukturalnych uporządkowanych w przestrzeni. W mikroskali potrafią odróżnić płaszczyzny krystaliczne od równoległych rzędów atomowych. Dzięki tej strukturze kryształy są anizotropowe. Ponadto anizotropia przejawia się nie tylko we właściwościach mechanicznych ciał stałych, ale także we właściwościach elektrycznych, elektromagnetycznych i innych. Na przykład kryształ turmalinu może przenosić drgania fali świetlnej tylko w jednym kierunku, co prowadzi do:polaryzacja promieniowania elektromagnetycznego.
Przykłady kryształów to prawie wszystkie materiały metaliczne. Najczęściej spotyka się je w trzech sieciach krystalicznych: sześciennych skoncentrowanych na twarzy i skoncentrowanych na ciele (odpowiednio fcc i bcc) oraz ciasno upakowanych sześciokątnych (hcp). Innym przykładem kryształów jest zwykła sól kuchenna. W przeciwieństwie do metali, jego węzły nie zawierają atomów, ale aniony chlorkowe lub kationy sodu.
Sprężystość jest główną właściwością wszystkich twardych materiałów
Przykładając nawet najmniejsze naprężenie do bryły, powodujemy jej deformację. Czasami deformacja może być tak mała, że nie można jej zauważyć. Jednak wszystkie materiały stałe odkształcają się pod wpływem obciążenia zewnętrznego. Jeżeli po usunięciu tego obciążenia odkształcenie zniknie, to mówi się o elastyczności materiału.
Żywym przykładem zjawiska sprężystości jest ściskanie metalowej sprężyny, opisane przez prawo Hooke'a. Poprzez siłę F i bezwzględne napięcie (ściskanie) x prawo to jest zapisane w następujący sposób:
F=-kx.
Tu k jest liczbą.
W przypadku metali luzem prawo Hooke'a jest zwykle zapisywane w postaci przyłożonego naprężenia zewnętrznego σ, odkształcenia względnego ε i modułu Younga E:
σ=Eε.
Moduł Younga jest stałą wartością dla konkretnego materiału.
Cechą odkształcenia sprężystego, która odróżnia go od odkształcenia plastycznego, jest odwracalność. Względne zmiany wielkości ciał stałych pod wpływem odkształcenia sprężystego nie przekraczają 1%. Najczęściej leżą w okolicach 0,2%. Właściwości sprężyste ciał stałych charakteryzują się brakiem przemieszczeń położeń elementów konstrukcyjnych w sieci krystalicznej materiału po zakończeniu obciążenia zewnętrznego.
Jeżeli zewnętrzna siła mechaniczna jest wystarczająco duża, to po zakończeniu jej działania na ciało widoczne jest odkształcenie szczątkowe. Nazywa się to plastikiem.
Plastyczność ciał stałych
Rozważyliśmy właściwości sprężyste ciał stałych. Przejdźmy teraz do cech ich plastyczności. Wiele osób wie i zaobserwowało, że uderzenie młotkiem w gwóźdź powoduje jego spłaszczenie. To jest przykład odkształcenia plastycznego. Na poziomie atomowym jest to złożony proces. Odkształcenie plastyczne nie może wystąpić w ciałach amorficznych, więc szkło nie odkształca się po uderzeniu, ale zapada się.
Ciała stałe i ich zdolność do plastycznego odkształcania zależy od struktury krystalicznej. Rozważana nieodwracalna deformacja występuje w wyniku ruchu specjalnych kompleksów atomowych w objętości kryształu, które nazywane są dyslokacjami. Te ostatnie mogą być dwojakiego rodzaju (marginalne i śrubowe).
Ze wszystkich materiałów stałych, metale mają największą plastyczność, ponieważ zapewniają dużą liczbę płaszczyzn poślizgu skierowanych w przestrzeni pod różnymi kątami w celu przemieszczeń. I odwrotnie, materiały z wiązaniami kowalencyjnymi lub jonowymi będą kruche. Można je przypisaćkamienie szlachetne lub wspomniana sól kuchenna.
Kruchość i wytrzymałość
Jeśli stale przykładasz siłę zewnętrzną do dowolnego materiału stałego, prędzej czy później się zawali. Istnieją dwa rodzaje niszczenia:
- kruche;
- lepkie.
Pierwszy charakteryzuje się pojawieniem się i szybkim rozwojem pęknięć. Kruche pęknięcia prowadzą do katastrofalnych skutków w produkcji, dlatego starają się stosować materiały i warunki ich pracy, w których zniszczenie materiału byłoby ciągliwe. Ta ostatnia charakteryzuje się powolnym rozwojem pęknięć i pochłanianiem dużej ilości energii przed awarią.
Dla każdego materiału istnieje temperatura, która charakteryzuje przejście kruchości. W większości przypadków spadek temperatury zmienia pęknięcie z ciągliwego w kruche.
Obciążenia cykliczne i stałe
W inżynierii i fizyce właściwości ciał stałych są również charakteryzowane przez rodzaj przyłożonego do nich obciążenia. Tak więc stały cykliczny wpływ na materiał (na przykład rozciąganie-ściskanie) jest opisany przez tak zwaną wytrzymałość zmęczeniową. Pokazuje, ile cykli przyłożenia określonej wartości naprężeń gwarantuje, że materiał wytrzyma bez pękania.
Zmęczenie materiału jest również badane pod stałym obciążeniem, poprzez pomiar szybkości odkształcania w czasie.
Twardość materiałów
Jedną z ważnych właściwości mechanicznych ciał stałych jest twardość. ona definiujezdolność materiału do zapobiegania wprowadzeniu do niego ciała obcego. Empirycznie bardzo łatwo jest określić, które z dwóch ciał jest trudniejsze. Wystarczy podrapać jedną z nich drugą. Diament to najtwardszy kryształ. Zadrapie każdy inny materiał.
Inne właściwości mechaniczne
Twarde materiały mają pewne właściwości mechaniczne inne niż wymienione powyżej. Wymieniamy je pokrótce:
- plastyczność - możliwość przybierania różnych kształtów;
- ciągliwość - możliwość rozciągnięcia na cienkie nitki;
- odporność na specjalne rodzaje deformacji, takie jak zginanie lub skręcanie.
Zatem mikroskopijna struktura ciał stałych w dużej mierze determinuje ich właściwości.
