Твърдият материал представлява едно от четирите агрегатни състояния, в които може да бъде материята около нас. В тази статия ще разгледаме какви механични свойства са присъщи на твърдите тела, като вземем предвид особеностите на тяхната вътрешна структура.
Какво е твърд материал?
Може би всеки може да отговори на този въпрос. Парче желязо, компютър, прибори за хранене, коли, самолети, камък, сняг са примери за твърди тела. От физическа гледна точка под твърдото агрегатно състояние на материята се разбира нейната способност да запазва формата и обема си при различни механични въздействия. Именно тези механични свойства на твърдите тела ги отличават от газове, течности и плазма. Имайте предвид, че течността също запазва обем (не е несвиваема).
Горните примери за твърди материали ще помогнат да се разбере по-ясно каква важна роля играят те за човешкия живот и технологичното развитие на обществото.
Има няколко физически и химически дисциплини, които изучават състоянието на материята, която се разглежда. Изброяваме само най-важните от тях:
- твърда физикатяло;
- механика на деформация;
- материалознание;
- твърда химия.
Структура от твърди материали
Преди да разгледаме механичните свойства на твърдите тела, трябва да се запознаем с тяхната вътрешна структура на атомно ниво.
Разнообразието от твърди материали в тяхната структура е голямо. Въпреки това има универсална класификация, която се основава на критерия за периодичността на подреждането на елементите (атоми, молекули, атомни клъстери), които изграждат тялото. Според тази класификация всички твърди вещества се разделят на следните:
- кристална;
- аморфен.
Нека започнем с втория. Аморфното тяло няма подредена структура. Атомите или молекулите в него са подредени на случаен принцип. Тази особеност води до изотропност на свойствата на аморфните материали, тоест свойствата не зависят от посоката. Най-яркият пример за аморфно тяло е стъклото.
Кристалните тела или кристали, за разлика от аморфните материали, имат подреждане на структурни елементи, подредени в пространството. На микромащаб те могат да различават кристални равнини и успоредни атомни редове. Поради тази структура кристалите са анизотропни. Освен това анизотропията се проявява не само в механичните свойства на твърдите тела, но и в свойствата на електрическите, електромагнитните и други. Например, турмалиновият кристал може да предава вибрации на светлинна вълна само в една посока, което води дополяризация на електромагнитното лъчение.
Примери за кристали са почти всички метални материали. Най-често се срещат в три кристални решетки: лицево-центрирана и центрирана по тялото кубична (съответно fcc и bcc) и шестоъгълна плътно опакована (hcp). Друг пример за кристали е обикновената готварска сол. За разлика от металите, неговите възли съдържат не атоми, а хлоридни аниони или натриеви катиони.
Еластичността е основното свойство на всички твърди материали
Като прилагаме дори най-малкото напрежение върху твърдо тяло, ние причиняваме деформацията му. Понякога деформацията може да бъде толкова малка, че да не може да бъде забелязана. Въпреки това, всички твърди материали се деформират, когато се приложи външно натоварване. Ако след отстраняване на това натоварване деформацията изчезне, тогава те говорят за еластичността на материала.
Ярък пример за явлението еластичност е компресирането на метална пружина, което се описва от закона на Хук. Чрез силата F и абсолютното напрежение (компресия) x този закон се записва по следния начин:
F=-kx.
Ето k е някакво число.
В случай на насипни метали, законът на Хук обикновено се записва от гледна точка на приложеното външно напрежение σ, относителната деформация ε и модула на Йънг E:
σ=Eε.
Модулът на Янг е постоянна стойност за конкретен материал.
Характеристика на еластичната деформация, която я отличава от пластичната деформация, е обратимостта. Относителните промени в размера на твърдите тела при еластична деформация не надвишават 1%. Най-често те лежат в района на 0,2%. Еластични свойства на твърдите тела се характеризират с липсата на изместване на позициите на структурните елементи в кристалната решетка на материала след прекратяване на външното натоварване.
Ако външната механична сила е достатъчно голяма, тогава след прекратяване на действието й върху тялото можете да видите остатъчната деформация. Казва се пластмаса.
Пластичност на твърдите вещества
Разгледахме еластичните свойства на твърдите тела. Сега нека да преминем към характеристиките на тяхната пластичност. Много хора знаят и са забелязали, че ако ударите пирон с чук, той се сплесква. Това е пример за пластична деформация. На атомно ниво това е сложен процес. В аморфни тела не може да се получи пластична деформация, така че стъклото не се деформира при удар, а се срутва.
Твърдите тела и способността им да се деформират зависят от кристалната структура. Разглежданата необратима деформация възниква поради движението на специални атомни комплекси в обема на кристала, които се наричат дислокации. Последният може да бъде от два вида (маргинал и винт).
От всички твърди материали, металите имат най-голяма пластичност, тъй като осигуряват голям брой равнини на приплъзване, насочени под различни ъгли в пространството за дислокации. Обратно, материалите с ковалентни или йонни връзки ще бъдат крехки. Тези могат да бъдат приписанискъпоценни камъни или споменатата готварска сол.
Крехкост и здравина
Ако постоянно прилагате външна сила към някакъв твърд материал, тогава рано или късно той ще се срути. Има два вида унищожаване:
- крехък;
- вискозен.
Първата се характеризира с появата и бързото нарастване на пукнатини. Крехките счупвания водят до катастрофални последици в производството, поради което се опитват да използват материали и техните работни условия, при които разрушаването на материала би било пластично. Последният се характеризира с бавен растеж на пукнатини и поглъщане на голямо количество енергия преди повреда.
За всеки материал има температура, която характеризира прехода крехко-пластичен. В повечето случаи понижаването на температурата променя счупването от пластично на крехко.
Циклични и постоянни натоварвания
В инженерството и физиката свойствата на твърдите тела също се характеризират от вида на приложеното към тях натоварване. И така, постоянният цикличен ефект върху материала (например опън-компресия) се описва с така наречената устойчивост на умора. Показва колко цикъла на прилагане на определено количество напрежение гарантирано ще издържи материалът, без да се счупи.
Умората на материала също се изследва при постоянно натоварване, като се измерва скоростта на деформация с течение на времето.
Твърдост на материалите
Едно от важните механични свойства на твърдите вещества е твърдостта. Тя определяспособността на материала да предотвратява навлизането на чуждо тяло в него. Емпирично е много лесно да се определи кое от двете тела е по-твърдо. Необходимо е само да надраскате единия от тях с другия. Диамантът е най-твърдият кристал. Ще надраска всеки друг материал.
Други механични свойства
Твърдите материали имат някои механични свойства, различни от посочените по-горе. Изброяваме ги накратко:
- пластичност - способността да приема различни форми;
- пластичност - способността да се разтяга в тънки нишки;
- способност за издръжливост на специални видове деформации, като огъване или усукване.
По този начин микроскопичната структура на твърдите тела до голяма степен определя техните свойства.
