Твердий матеріал представляє одне з чотирьох агрегатних станів, в якому може перебувати навколишнє нас матерія. У цій статті розглянемо, які механічні властивості твердих тіл притаманні, враховуючи особливості їх внутрішньої будови.
Що таке твердий матеріал?
Мабуть, на це питання може відповісти кожен чоловік. Шматок заліза, комп’ютер, столові прилади, автомобілі, літаки, камінь, сніг – все це приклади твердих тел. З фізичної точки зору, під твердим агрегатним станом матерії розуміється її здатність зберігати форму і обсяг при різних механічних впливах. Саме ці механічні властивості твердих тіл відрізняють їх від газу, рідини та плазми. Зауважимо, що рідина також зберігає об’єм (є нестисливої).
Наведені вище приклади твердих матеріалів допоможуть більш чітко уявити, яку важливу роль вони відіграють для життя людини і технологічного розвитку суспільства.
Існує кілька фізико-хімічних дисциплін, що вивчають розглянуте агрегатний стан речовини. Перерахуємо лише найбільш важливі з них:
- фізика твердого тіла;
- механіка деформацій;
- наука про матеріали;
- хімія твердого речовини.
Структура твердих матеріалів
Перед тим, як розглядати механічні властивості твердих тіл, слід познайомитися з їх внутрішньою структурою на атомному рівні.
Різноманітність твердих матеріалів по своїй структурі велике. Тим не менш, існує універсальна класифікація, в основу якої покладено критерій періодичності розташування складових тіла елементів (атомів, молекул, атомних кластерів). Відповідно до цієї класифікації всі тверді речовини поділяються на такі:
- кристалічні;
- аморфні.
Почнемо із других. Аморфне тіло не має якої-небудь впорядкованою структурою. Атоми або молекули у ньому розташовані хаотично. Ця особливість призводить до ізотропія властивостей аморфних матеріалів, тобто властивості не залежать від напрямку. Самим яскравим прикладом аморфного тіла є скло.
Кристалічні тіла або кристали, на відміну від аморфних матеріалів, мають упорядкований у просторі розташування структурних елементів. В мікромасштабі у них можна розрізнити кристалічні площині та паралельні атомні ряди. Завдяки такій структурі кристали є анізотропними. Причому анізотропія проявляється не тільки на механічних властивостей твердих тіл, але і на властивості електричних, електромагнітних і інших. Наприклад, кристал турмаліну здатний пропускати тільки коливання світлової хвилі в одному напрямку, що призводить до поляризації електромагнітного випромінювання.
Прикладами кристалів є практично всі металеві матеріали. Вони найчастіше зустрічаються в трьох кристалічних решітках: гранецентрованої і об’ємно центрованої кубічної (ГЦК і ОЦК, відповідно) і гексагональної щільно упакованої (ГПУ). Ще одним прикладом кристалів є знайома всім кухонна сіль. На відміну від металів в її вузлах знаходяться не атоми, а аніони хлору або катіони натрію.
Пружність – головна властивість всіх твердих матеріалів
Докладаючи до твердому речовині навіть найменша напруга, ми викликаємо його деформацію. Іноді деформація може бути настільки маленькою, що цього можна не помітити. Тим не менш, всі тверді матеріали деформуються при прикладанні зовнішнього навантаження. Якщо після зняття цієї навантаження деформація зникає, то говорять про пружності матеріалу.
Яскравий приклад явища пружності – стиснення металевої пружини, яка описується законом Гука. Через силу F і абсолютна розтяг (стиск) x цей закон записується так:
F = -k*x.
Тут k – деяке число.
У випадку об’ємних металів закон Гука прийнято записувати через прикладена зовнішня напруга σ, відносну деформацію ε і модуль Юнга E:
σ = E*ε.
Модуль Юнга є постійною величиною для конкретного матеріалу.
Особливістю пружної деформації, яка відрізняє її від пластичної деформації, є оборотність. Відносні зміни розмірів твердих речовин при пружної деформації не перевищують 1%. Найчастіше вони лежать в районі 0,2 %. Пружні властивості твердих тіл характеризуються відсутністю зміщення положень структурних елементів в кристалічній решітці матеріалу після припинення дії зовнішнього навантаження.
Якщо зовнішнє механічне зусилля достатньо велика, то після припинення його дії на тілі можна бачити залишкову деформацію. Вона називається пластичною.
Пластичність твердих речовин
Ми розглянули пружні властивості твердих тел. Тепер перейдемо до характеристик їх пластичності. Багато знають і спостерігали, що якщо вдарити молотком по цвяху, то він стає сплюснутым. Це приклад пластичної деформації. На атомному рівні вона являє собою складний процес. Пластична деформація не може йти в аморфних тілах, тому скло при ударі по ньому не деформується, а руйнується.
Тверді тіла та їх властивість пластично деформуватися залежить від кристалічної будови. Розглянута незворотна деформація відбувається за рахунок переміщення в обсязі кристала спеціальних атомних комплексів, які називаються дислокаціями. Останні можуть бути двох видів (крайові та гвинтові).
З усіх твердих матеріалів найбільшою пластичністю мають метали, оскільки вони надають велику кількість спрямованих під різними кутами в просторі площин ковзання для дислокацій. Навпаки, мають ковалентні або іонні зв’язки матеріали будуть крихкими. До них можна віднести дорогоцінні камені або згадану кухонну сіль.
Крихкість і в’язкість
Якщо постійно докладати зовнішній вплив на будь-який твердий матеріал, то він рано чи пізно зруйнується. Існує два види руйнувань:
- крихке;
- в’язке.
Перше характеризується виникненням і швидким зростанням тріщин. Крихкі руйнування призводять до катастрофічних наслідків на виробництві, тому намагаються використовувати матеріали та умови їх експлуатації, при яких руйнування матеріалу було б в’язким. Останнє характеризується повільним зростанням тріщин і поглинанням великої кількості енергії до руйнування.
Для кожного матеріалу існує температура, яка характеризує крихко-в’язкого стану перехід. У більшості випадків зменшення температури переводить руйнування з в’язкою області в тендітну.
Циклічні та постійні навантаження
В інженерії та фізики властивості твердих тіл також характеризуються за типом додається до них навантаження. Так, постійне циклічний вплив на матеріал (наприклад, розтяг-стиск) описується так званим опором втоми. Воно показує, скільки циклів додатки конкретної величини напруги матеріал гарантовано витримає, не разрушившись.
Втома матеріалу також вивчають при постійної навантаженні, вимірюючи швидкість деформації від часу.
Твердість матеріалів
Одним з важливих механічних властивостей твердих тіл є твердість. Вона визначає здатність матеріалу перешкоджати впровадженню в нього чужорідного тіла. Дослідним шляхом визначити, яке з двох тіл твердіше, дуже просто. Необхідно лише подряпати одне з них іншим. Алмаз – найтвердіший кристал. Він дряпає будь-який інший матеріал.
Інші механічні властивості
Тверді матеріали володіють деякими іншими механічними властивостями, крім зазначених вище. Коротко перелічимо їх:
- ковкість – здатність купувати різну форму;
- тягучість – здатність видовжуватися в тонкі нитки;
- здатність чинити опір спеціальними видами деформації, наприклад, вигину або крученню.
Таким чином, мікроскопічна будова твердих тіл властивості їх багато в чому визначає.
