Основна механичка својства чврстих материја

11. 3. 2020.

Чврсто је једно од четири стања материје, укључујући плазму, која може постојати у природи. Ово стање материје карактерише чињеница да се опире било којој спољашњој сили која делује на њу да би променила облик и запремину тела. Другим речима, механичке особине чврстих материја су њихове карактеристичне карактеристике.

Кристалне и аморфне чврсте материје

Туркуоисе Цомплек Цристал Латтице

Прије разматрања механичких својстава крутина, треба рећи да су у својој атомској структури два типа:

  • кристали;
  • аморфно стање.

У кристалним тијелима је сачуван далекометни поредак, тј. Знајући положај атома у одређеном минималном волумену неке твари, може се описати положај свих осталих атома кристала, при чему се атоми који су у минималном волумену преведу у одређене транслацијске векторе.

У аморфним телима нема дугог реда, али постоји распоред кратког домета у распореду атома, тј. Суседни атоми за дати атом формирају локалну структуру кластера, која је иста за све атоме аморфног тела.

Разлика у својствима кристала и аморфних тела

Због разлика у унутрашњој структури кристала и аморфних тела, многе њихове особине су различите, на пример, кристалне супстанце имају специфичну тачку топљења, за аморфна тела ова вредност није константна. Кристале карактерише анизотропија, односно зависност различитих физичких својстава од просторног правца, док су аморфна тела изотропна.

Примери кристала су чврсти оксиди, сулфати, метали, карбиди. Аморфне супстанце укључују стакло, полимере, гуму.

Хемијска веза у чврстим материјама

Ион цристал

Механичка својства чврстих материја су у великој мери одређена типом хемијских веза које ова тела формирају. Постоје следеће врсте комуникације:

  • Молецулар. Природа ове везе лежи у дипол-дипол електричним интеракцијама, које настају услед тренутне поларизације атома који се састоје од негативно набијене електронске љуске и позитивно набијеног атомског језгра. Такође, ова веза се зове Ван дер Ваалса. Снажан пример таквих кристала су скоро сва органска једињења, као и сумпор.
  • Цовалент. Ова врста везе је довољно јака да се формира ковалентна веза када се вањске електронске љуске сусједних атома преклапају. На пример, кристал дијаманта се формира искључиво ковалентним везама.
  • Металлиц. Овај тип везе је карактеристичан за метале и легуре. Метал бонд је довољно издржљив. Настала је због социјализације атомских електрона, чија се укупност назива електронски гас. Овај електронски гас се дистрибуира кроз кристалну решетку метала, чија су чворишта катјони атома.
  • Иониц Ова веза се формира због кулонских интеракција и прилично је јака. Главни пример кристала са ионска веза је кристал НаЦл у коме су позитивни натријумови јони окружени јонима негативног хлора.

У наставку се наводе механичка својства крутих материја, које се у великој мјери односе на тип везе између њихових саставних честица и тип просторног распореда тих честица.

Еластична деформација

За разлику од гасова и течности, карактеристична механичка особина чврстих материја је њихова способност да се еластично деформишу. Под еластичном деформацијом подразумева се способност тела да промени свој облик када је изложен спољашњим силама, али онда поново да врати првобитни облик када престане деловање ових сила.

Еластична деформација је описана Хооковим законом. Механичка својства еластичности чврстих материја у генерализованом Хооковом закону имају облик: σ иј = Σ к, л Ц ијкл ε кл , где је σ иј тензор другог реда, Ц ијкл су еластичне константе за дату супстанцу, ε кл је релативни тензор деформације. За линеарни и изотропни случај, на пример, еластично истезање металне шипке, Хооков закон има облик: σ = Еε, где је Е модул Иоунг-а за дати материјал.

Хооков закон за пролеће

Челична опруга

Једна од једноставних формула за механичка својства чврстих материја је Хооков закон за опругу, који се може записати као: Ф = - кк, гдје је Ф вањска сила, влачна или компресивна опруга, к је апсолутна вриједност компресије или напетости опруге из равнотежног положаја у одсуству дјеловања спољашња сила, к је еластична константа, која зависи од материјала из кога се израђује опруга, као и од њене дужине.

Према Хооковом закону, могуће је одредити енергију коју опруга складишти промјеном њене дуљине за количину к, која се одређује помоћу формуле: Е = ½кк 2 .

Пластиц деформатион

Сваки материјал има одређену границу вриједности релативне деформације, након чега се може или колапсирати или почети пластично деформирати. Под пластичном деформацијом подразумијева се промјена облика тијела, која остаје након престанка вањске силе која га је узроковала.

Нису све чврсте материје пластично деформисане, на пример, тела у којима је хемијска веза ковалентна или јонска су крхка, то јест, након прекорачења границе еластичног напрезања, оне се уништавају. Пластична деформација као механичка својства чврстих материја је изражена у металним материјалима. Метали се могу пластично деформирати на десетине, па чак и на стотине посто без механичких оштећења. Ово својство метала је због њихових посебности цристал латтицес и присуство у њима специјалних атомских структура - дислокација.

Гипкост и савитљивост

Својство дуктилности

Проучавање механичких својстава чврстих материја односи се и на жилавост и савитљивост, које су различите врсте пластичне деформације.

Карактеристике способности неких материјала, као што су метали, да покажу постојану пластичну деформацију за стотине и хиљаде посто без механичког уништавања. Дуктилност вам омогућава да набавите жицу. Не треба мислити да се вискозни материјали не могу срушити, међутим, за разлику од нехлапљивих материјала, њихово уништавање настаје након што њихове деформације досегну велике вриједности.

Маллеабилити проперти

Дуктилност је важна механичка особина чврстих материја у физици, која карактерише способност пластичног деформисања материјала без уништења као резултат изложености високим притисцима. За разлику од еластичности, која омогућава добијање танких влакана, добра дуктилност омогућава добијање танких плоча. Злато, платина, сребро, бакар и гвожђе имају добру савитљивост.

Крвно-вискозна транзиција

Крхкост и вискозност су основна механичка својства крутих материја, јер карактеришу процес уништавања датог материјала. Механички квар настаје када вањски напон прелази одређену вриједност, или вриједност деформације постаје значајна. У том случају, материјал се уништава због ширења пукотина у њему, јер се максимални локални напони налазе на врху пукотине.

Класификација крхког и вискозног оштећења заснива се на количини енергије која се апсорбује током тог уништења, а која се дефинира као производ дјеловања напрезања и количине деформације тијела. Примери супстанци које ломе крхке, односно њихова енергија разарања су мале, стаклени и керамички материјали.

Ломљивост стакла

Уништавање метала на одређеним температурама је вискозно, односно долази до апсорпције великих количина енергије. Треба напоменути да су температура, као и хемијски састав и структура чврстог материјала, главни фактори који одређују да ли ће разарање бити крхко или вискозно.

Познавање температуре крхког вискозног пријелаза за дати материјал је важно прије употребе овог материјала у било којој конструкцији.

Тврдоћа тела

Ако укратко говоримо о механичким својствима чврстих материја, онда не можемо не споменути тврдоћу која карактерише способност тела да се одупре продирању у њу и абразивном трошењу. На пример, дрво се лако може изгребати, што значи да нема велику тврдоћу. Напротив, било који метал је веома тешко огребати, то јест, вредност тврдоће је одлична за то.

Користећи методу "гребања" једног тела другим да се одреди релативна тврдоћа. Чврсте материје, које су формиране ковалентним везама, имају велике вредности тврдоће, а дијамант је најтежи природни материјал.

Релативна тврдоћа

Савремене методе мерења тврдоће

За проучавање механичких својстава чврстих материја у погледу тврдоће, користе се различите модерне инсталације, чији се принцип деловања састоји у притискању индентера у материјал и затим мерењу дубине његовог увођења под одређеним оптерећењем. На индустријском нивоу, користе се следеће методе за мерење тврдоће:

  • Бринелл харднесс. Волфрам карбид или каљени челик се користи као материјал за индентирање. Сам индентер представља лопту. Овај метод се лако примењује, али у неким случајевима његова тачност није довољна, на пример, када се мере чврсти материјали или плоче дебљине мање од 6 мм.
  • Роцквелл харднесс. Индентер у овој методи за мерење тврдоће је мали дијамантни конус. Ова метода је довољно прецизна и погодна је за мјерење специфицираних физичких карактеристика било којег материјала.
  • Вицкерсова тврдоћа. Дијамантна пирамида се користи као индентер. Ова метода је побољшана верзија мјерења тврдоће по Бринеллу, јер омогућава мјерење тврдоће плоча, чија дебљина прелази 2 мм.