Materialul solid reprezintă una dintre cele patru stări de agregare în care se poate afla materia din jurul nostru. În acest articol, vom lua în considerare ce proprietăți mecanice sunt inerente solidelor, ținând cont de particularitățile structurii lor interne.
Ce este un material solid?
Poate că toată lumea poate răspunde la această întrebare. O bucată de fier, un computer, tacâmuri, mașini, avioane, piatră, zăpadă sunt toate exemple de solide. Din punct de vedere fizic, starea solidă agregată a materiei este înțeleasă ca capacitatea sa de a-și păstra forma și volumul sub diferite influențe mecanice. Aceste proprietăți mecanice ale solidelor sunt cele care le deosebesc de gaze, lichide și plasme. Rețineți că fluidul păstrează și volum (este incompresibil).
Exemplele de mai sus de materiale solide vor ajuta la înțelegerea mai clară ce rol important joacă acestea pentru viața umană și dezvoltarea tehnologică a societății.
Există mai multe discipline fizice și chimice care studiază starea materiei luate în considerare. Le enumerăm doar pe cele mai importante dintre ele:
- fizica solidăcorp;
- mecanica deformarii;
- știința materialelor;
- chimie solidă.
Structura materialelor dure
Înainte de a lua în considerare proprietățile mecanice ale solidelor, ar trebui să se familiarizeze cu structura lor internă la nivel atomic.
Varietatea materialelor solide din structura lor este grozavă. Cu toate acestea, există o clasificare universală, care se bazează pe criteriul periodicității aranjamentului elementelor (atomi, molecule, clustere atomice) care alcătuiesc corpul. Conform acestei clasificări, toate solidele sunt împărțite în următoarele:
- cristalin;
- amorf.
Să începem cu al doilea. Un corp amorf nu are nicio structură ordonată. Atomii sau moleculele din el sunt aranjate aleatoriu. Această caracteristică duce la izotropia proprietăților materialelor amorfe, adică proprietățile nu depind de direcție. Cel mai izbitor exemplu de corp amorf este sticla.
Corpurile sau cristalele cristaline, spre deosebire de materialele amorfe, au un aranjament al elementelor structurale ordonate în spațiu. La microscara, ei pot distinge între planurile cristaline și rândurile atomice paralele. Datorită acestei structuri, cristalele sunt anizotrope. Mai mult, anizotropia se manifestă nu numai în proprietățile mecanice ale solidelor, ci și în proprietățile electrice, electromagnetice și altele. De exemplu, un cristal de turmalină poate transmite doar vibrațiile unei unde luminoase într-o singură direcție, ceea ce duce lapolarizarea radiațiilor electromagnetice.
Exemple de cristale sunt aproape toate materialele metalice. Ele se găsesc cel mai adesea în trei rețele cristaline: cubic centrat pe față și centrat pe corp (fcc și, respectiv, bcc) și compactat hexagonal (hcp). Un alt exemplu de cristale este sarea obișnuită de masă. Spre deosebire de metale, nodurile sale nu conțin atomi, ci anioni de clorură sau cationi de sodiu.
Elasticitatea este principala proprietate a tuturor materialelor dure
Aplicând chiar și cea mai mică solicitare unui solid, îl facem să se deformeze. Uneori, deformarea poate fi atât de mică încât nu poate fi observată. Cu toate acestea, toate materialele solide se deformează atunci când se aplică o sarcină externă. Dacă după îndepărtarea acestei sarcini dispare deformația, atunci se vorbește despre elasticitatea materialului.
Un exemplu viu al fenomenului de elasticitate este comprimarea unui arc metalic, care este descrisă de legea lui Hooke. Prin forța F și tensiunea absolută (compresie) x, această lege se scrie astfel:
F=-kx.
Aici k este un număr.
În cazul metalelor în vrac, legea lui Hooke este de obicei scrisă în termeni de efort extern aplicat σ, deformare relativă ε și modulul lui Young E:
σ=Eε.
Modulul Young este o valoare constantă pentru un anumit material.
Caracteristica deformării elastice, care o deosebește de deformarea plastică, este reversibilitatea. Modificările relative ale dimensiunii solidelor sub deformare elastică nu depășesc 1%. Cel mai adesea ele se află în regiunea de 0,2%. Proprietățile elastice ale solidelor se caracterizează prin absența deplasării pozițiilor elementelor structurale în rețeaua cristalină a materialului după terminarea sarcinii externe.
Dacă forța mecanică externă este suficient de mare, atunci după încetarea acțiunii sale asupra corpului, se poate observa deformarea reziduală. Se numește plastic.
Plasticitatea solidelor
Am luat în considerare proprietățile elastice ale solidelor. Acum să trecem la caracteristicile plasticității lor. Mulți oameni știu și au observat că, dacă lovești un cui cu un ciocan, acesta devine turtit. Acesta este un exemplu de deformare plastică. La nivel atomic, este un proces complex. Deformarea plastică nu poate avea loc în corpurile amorfe, așa că sticla nu se deformează atunci când este lovită, ci se prăbușește.
Corpurile solide și capacitatea lor de a se deforma plastic depinde de structura cristalină. Deformarea considerată ireversibilă are loc datorită mișcării complexelor atomice speciale în volumul cristalului, care se numesc dislocații. Acesta din urmă poate fi de două tipuri (marginal și șurub).
Dintre toate materialele solide, metalele au cea mai mare plasticitate, deoarece oferă un număr mare de planuri de alunecare direcționate în unghiuri diferite în spațiu pentru dislocații. În schimb, materialele cu legături covalente sau ionice vor fi fragile. Acestea pot fi atribuitepietre prețioase sau sarea de masă menționată.
Frămilitate și duritate
Dacă aplicați constant o forță externă pe orice material solid, atunci mai devreme sau mai târziu acesta se va prăbuși. Există două tipuri de distrugere:
- fragile;
- vâscos.
Primul se caracterizează prin apariția și creșterea rapidă a fisurilor. Fracturile fragile duc la consecințe catastrofale în producție, prin urmare, încearcă să folosească materiale și condițiile lor de funcționare în care distrugerea materialului ar fi ductilă. Acesta din urmă se caracterizează prin creșterea lentă a fisurilor și absorbția unei cantități mari de energie înainte de defectare.
Pentru fiecare material există o temperatură care caracterizează tranziția fragil-ductilă. În majoritatea cazurilor, o scădere a temperaturii schimbă fractura de la ductilă la fragilă.
Încărcări ciclice și permanente
În inginerie și fizică, proprietățile solidelor sunt caracterizate și de tipul de sarcină aplicat acestora. Deci, un efect ciclic constant asupra materialului (de exemplu, tensiune-compresie) este descris de așa-numita rezistență la oboseală. Acesta arată câte cicluri de aplicare a unei anumite cantități de solicitare poate rezista materialului fără a se rupe.
Oboseala unui material este, de asemenea, studiată sub sarcină constantă, prin măsurarea vitezei de deformare în timp.
Duritatea materialelor
Una dintre proprietățile mecanice importante ale solidelor este duritatea. Ea defineștecapacitatea materialului de a preveni introducerea unui corp străin în el. Din punct de vedere empiric, este foarte simplu să se determine care dintre cele două corpuri este mai greu. Este necesar doar să zgârie unul dintre ele cu celăl alt. Diamantul este cel mai dur cristal. Va zgâria orice alt material.
Alte proprietăți mecanice
Materialele dure au unele proprietăți mecanice, altele decât cele menționate mai sus. Le enumerăm pe scurt:
- ductilitate - capacitatea de a lua diferite forme;
- ductilitate - capacitatea de a se întinde în fire subțiri;
- abilitatea de a rezista unor tipuri speciale de deformare, cum ar fi îndoirea sau răsucirea.
Astfel, structura microscopică a solidelor determină în mare măsură proprietățile acestora.
