Fast materiale repræsenterer en af de fire aggregeringstilstande, hvori stoffet omkring os kan være. I denne artikel vil vi overveje, hvilke mekaniske egenskaber der er iboende i faste stoffer, under hensyntagen til de særlige forhold ved deres indre struktur.
Hvad er et solidt materiale?
Måske kan alle besvare dette spørgsmål. Et stykke jern, en computer, bestik, biler, fly, sten, sne er alle eksempler på faste stoffer. Fra et fysisk synspunkt forstås stoffets faste aggregerede tilstand som dets evne til at bevare sin form og volumen under forskellige mekaniske påvirkninger. Det er disse faste stoffers mekaniske egenskaber, der adskiller dem fra gasser, væsker og plasmaer. Bemærk, at væsken også bevarer volumen (er usammentrykkelig).
Ovenstående eksempler på solide materialer vil hjælpe med at forstå, hvilken vigtig rolle de spiller for menneskelivet og samfundets teknologiske udvikling.
Der er adskillige fysiske og kemiske discipliner, der studerer stoffets tilstand under overvejelse. Vi lister kun de vigtigste af dem:
- solid fysikkrop;
- deformationsmekanik;
- materialevidenskab;
- solid kemi.
Struktur af hårde materialer
Før man overvejer faste stoffers mekaniske egenskaber, bør man gøre sig bekendt med deres indre struktur på atomniveau.
Mangfoldigheden af solide materialer i deres struktur er stor. Ikke desto mindre er der en universel klassificering, som er baseret på kriteriet om periodiciteten af arrangementet af de elementer (atomer, molekyler, atomklynger), der udgør kroppen. I henhold til denne klassifikation er alle faste stoffer opdelt i følgende:
- krystallinsk;
- amorf.
Lad os starte med den anden. Et amorft legeme har ikke nogen ordnet struktur. Atomer eller molekyler i det er arrangeret tilfældigt. Denne funktion fører til isotropien af egenskaberne af amorfe materialer, det vil sige, at egenskaberne ikke afhænger af retningen. Det mest slående eksempel på en amorf krop er glas.
Krystallinske legemer eller krystaller har, i modsætning til amorfe materialer, et arrangement af strukturelle elementer ordnet i rummet. På mikroskalaen kan de skelne mellem krystallinske planer og parallelle atomrækker. På grund af denne struktur er krystallerne anisotrope. Desuden manifesterer anisotropi sig ikke kun i faste stoffers mekaniske egenskaber, men også i egenskaberne af elektriske, elektromagnetiske og andre. For eksempel kan en turmalinkrystal kun transmittere vibrationer af en lysbølge i én retning, hvilket fører tilpolarisering af elektromagnetisk stråling.
Eksempler på krystaller er næsten alle metalliske materialer. De findes oftest i tre krystalgitre: ansigtscentreret og kropscentreret kubisk (henholdsvis fcc og bcc) og sekskantet tætpakket (hcp). Et andet eksempel på krystaller er almindeligt bords alt. I modsætning til metaller indeholder dens noder ikke atomer, men chloridanioner eller natriumkationer.
Elasticitet er hovedegenskaben ved alle hårde materialer
Ved at påføre selv den mindste belastning på et fast stof, får vi det til at deformeres. Nogle gange kan deformationen være så lille, at den ikke kan bemærkes. Men alle faste materialer deformeres, når en ekstern belastning påføres. Hvis deformationen forsvinder efter at have fjernet denne belastning, så taler de om materialets elasticitet.
Et levende eksempel på fænomenet elasticitet er kompressionen af en metalfjeder, som er beskrevet af Hookes lov. Gennem kraften F og den absolutte spænding (kompression) x skrives denne lov som følger:
F=-kx.
Her er k et tal.
I tilfælde af bulkmetaller er Hookes lov norm alt skrevet i form af den påførte ydre spænding σ, relative belastning ε og Youngs modul E:
σ=Eε.
Youngs modul er en konstant værdi for et bestemt materiale.
Funktionen ved elastisk deformation, som adskiller den fra plastisk deformation, er reversibilitet. Relative ændringer i størrelsen af faste stoffer under elastisk deformation overstiger ikke 1%. Oftest ligger de i omegnen af 0,2%. De elastiske egenskaber af faste stoffer er karakteriseret ved fraværet af forskydning af positionerne af strukturelle elementer i materialets krystalgitter efter afslutningen af den eksterne belastning.
Hvis den ydre mekaniske kraft er stor nok, kan du efter afslutningen af dens virkning på kroppen se den resterende deformation. Det hedder plastik.
Plasticitet af faste stoffer
Vi har overvejet de elastiske egenskaber ved faste stoffer. Lad os nu gå videre til egenskaberne ved deres plasticitet. Mange mennesker ved og har observeret, at hvis man slår et søm med en hammer, bliver det fladt. Dette er et eksempel på plastisk deformation. På atomniveau er det en kompleks proces. Der kan ikke forekomme plastisk deformation i amorfe legemer, så glasset deformeres ikke, når det rammes, men kollapser.
Fastlegemer og deres evne til plastisk deformering afhænger af den krystallinske struktur. Den betragtede irreversible deformation opstår på grund af bevægelsen af specielle atomkomplekser i krystallens volumen, som kaldes dislokationer. Sidstnævnte kan være af to typer (marginal og skrue).
Af alle faste materialer har metaller den største plasticitet, da de giver et stort antal glideplaner rettet i forskellige vinkler i rummet til dislokationer. Omvendt vil materialer med kovalente eller ioniske bindinger være sprøde. Disse kan tilskrivesædelstene eller det nævnte bords alt.
Skørhed og sejhed
Hvis du konstant anvender en ekstern kraft på et hvilket som helst fast materiale, vil det før eller siden falde sammen. Der er to typer ødelæggelse:
- fragile;
- viskos.
Den første er kendetegnet ved udseende og hurtig vækst af revner. Skøre brud fører til katastrofale konsekvenser i produktionen, derfor forsøger de at bruge materialer og deres driftsbetingelser, hvorunder ødelæggelsen af materialet ville være duktil. Sidstnævnte er karakteriseret ved langsom revnevækst og absorption af en stor mængde energi før fejl.
For hvert materiale er der en temperatur, der kendetegner den skøre-duktile overgang. I de fleste tilfælde ændrer et fald i temperaturen bruddet fra duktilt til skørt.
Cykliske og permanente belastninger
I teknik og fysik er faste stoffers egenskaber også karakteriseret ved den type belastning, der påføres dem. Så en konstant cyklisk effekt på materialet (for eksempel spændingskompression) er beskrevet af den såkaldte træthedsmodstand. Den viser, hvor mange cyklusser med påføring af en bestemt mængde belastning, materialet garanteret kan modstå uden at gå i stykker.
Træthed af et materiale studeres også under konstant belastning ved at måle tøjningshastigheden over tid.
materialernes hårdhed
En af de vigtige mekaniske egenskaber ved faste stoffer er hårdhed. Hun definerermaterialets evne til at forhindre indførelse af et fremmedlegeme i det. Empirisk er det meget enkelt at afgøre, hvilken af de to kroppe der er sværere. Det er kun nødvendigt at ridse den ene af dem med den anden. Diamant er den hårdeste krystal. Det vil ridse alt andet materiale.
Andre mekaniske egenskaber
Hårde materialer har nogle andre mekaniske egenskaber end dem, der er nævnt ovenfor. Vi lister dem kort:
- duktilitet - evnen til at antage forskellige former;
- duktilitet - evnen til at strække sig til tynde tråde;
- evne til at modstå specielle typer deformation, såsom bøjning eller vridning.
Den mikroskopiske struktur af faste stoffer bestemmer i høj grad deres egenskaber.
