Основні механічні властивості твердих тіл

Основні механічні властивості твердих тіл

Тверде тіло є одним з чотирьох станів речовини, включаючи плазму, які можуть існувати в природі. Характеризується цей стан речовини тим, що вона чинить опір будь-якій зовнішній силі, яка діє на неї з метою зміни форми та обсягу тіла. Іншими словами, механічні властивості твердих тіл є їх відмінною характеристикою.

Кристалічні та аморфні тверді тіла

Перш ніж розглядати питання про механічні властивості твердих тіл, слід сказати, що вони за своєю атомною структурою бувають двох типів:

  • кристали;
  • аморфний стан.

У кристалічних тілах зберігається далекий порядок, тобто, знаючи положення атомів в деякому мінімальному обсязі речовини, можна описати положення всіх інших атомів кристала, транслюючи атоми, що знаходяться в мінімальному обсязі, на певні вектора трансляції.

В аморфних тілах не існує далекого порядку, проте існує ближній порядок в розташуванні атомів, тобто сусідні атоми для даного атома утворюють локальну, кластерну структуру, яка однакова у всіх атомів аморфного тіла.

Відмінність у властивостях кристалів та аморфних тіл

Через відмінності у внутрішній будові кристалів і аморфних тіл багато їх властивостей розрізняються, наприклад, кристалічні речовини мають конкретну температуру плавлення, у аморфних тіл ця величина не є постійною. Кристали характеризуються анізотропією, тобто залежністю різних фізичних властивостей від просторового напрямку, аморфні ж тіла є ізотропними.

Прикладами кристалів є тверді оксиди, сульфати, метали, карбіди. До аморфних речовин належать скло, полімери, каучук.

Хімічний зв "язок у твердих тілах

Механічні властивості твердих тіл багато в чому визначаються типом хімічних зв 'язків, які утворюють ці тіла. Існують такі типи зв 'язку:

  • Молекулярна. Природа цього зв 'язку полягає в диполь-дипольних електричних взаємодіях, які виникають через миттєву поляризацію атомів, що складаються з негативно зарядженої електронної оболонки і позитивно зарядженого атомного ядра. Також цей зв 'язок носить назву Ван-дер-Ваальсової. Яскравим прикладом таких кристалів є практично всі органічні сполуки, а також сірка.
  • Ковалентна. Цей тип зв 'язку є досить міцним, утворюється ковалентний зв' язок, коли перекриваються зовнішні електронні оболонки сусідніх атомів. Наприклад, кристал алмазу утворений виключно ковалентними зв 'язками.
  • Металева. Цей тип зв 'язку характерний для металів і сплавів. Металевий зв 'язок є досить міцним. Утворена вона за рахунок узагальнення атомних електронів, сукупність яких називають електронним газом. Цей електронний газ розподілений по всій кристалічній решітці металу, вузли якої являють собою катіони атомів.
  • Іонна. Даний зв 'язок утворений за рахунок кулонівських взаємодій і є досить сильним. Яскравим прикладом кристалів з іонним зв 'язком є кристал NaCl, в якому позитивні іони натрію оточені негативними іонами хлору.

Далі в статті перелічено механічні властивості твердих тіл, які багато в чому пов 'язані з типом зв' язку між складовими їх частинками і типом просторового розташування цих частинок.

Упруга деформація

На відміну від газів і рідин, відмінною механічною властивістю твердих тіл є їх здатність упруго деформуватися. Під упругою деформацією розуміється здатність тіла змінювати свою форму при впливі зовнішніх сил, але потім знову відновлювати первісну форму, коли дія цих сил припиняється.

Упруга деформація описується законом Гука. Механічна властивість твердих тіл - пружність в узагальненому законі Гука має вигляд: ij = k, lCijkl^ kl, де - тензор напружень другого порядку, Cijkl - пружність постійні для даної речовини, kl - тензор відносної деформації. Для лінійного та ізотропного випадку, наприклад, упруге розтягнення металевого стрижня, закон Гука набуде вигляду: - Це модуль Юнга для цього матеріалу.

Закон Гука для пружини

Однією з простих формул механічних властивостей твердих тіл є закон Гука для пружини, який можна записати так:F = - kx, де F - зовнішня сила, що розтягує або стискає пружину, x - абсолютна величина стиснення або розтягнення пружини від її положення рівноваги у відсутності дії зовнішньої сили, k - упруга постійна, яка залежить від матеріалу, з якого виготовлена пружина, а також від її довжини.

Відповідно до закону Гука, можна визначити енергію, яку запасає пружина, при зміні її довжини на величину x, ця енергія визначається за формулою: E = ½kx2.

Пластична деформація

Кожен матеріал володіє певною межею на величину відносної деформації, після якого він може або зруйнується, або почати деформуватися пластично. Під пластичною деформацією розуміється така зміна форми тіла, яка залишається після припинення дії зовнішньої сили, що викликала його.

Не всі тверді тіла можуть пластично деформуватися, наприклад, тіла, в яких хімічний зв 'язок є ковалентним або іонним, є крихкими, тобто після перевищення упругої межі за напругою вони руйнуються. Пластична деформація як механічна властивість твердих тіл яскраво виражена у металевих матеріалів. Метали можуть пластично деформуватися на десятки і навіть сотні відсотків, не відчуваючи при цьому механічного руйнування. Ця властивість металів обумовлена особливостями їх кристалічних решіток і наявністю в них особливих атомних структур - дислокацій.

Тягучість і ковкість

Вивчення механічних властивостей твердих тіл також стосується тягучості і ковкості, які є різновидами пластичної деформації.

Тягучість характеризує здатність деяких матеріалів, наприклад, металів, демонструвати стійку пластичну деформацію на сотні і тисячі відсотків без механічного руйнування. Тягучість дозволяє отримувати дріт. Не варто думати, що тягучі матеріали не можуть зруйнуватися, проте на відміну від не тягучих матеріалів їх руйнування відбувається після того, як їх деформації досягнуть великих значень.

Ковкість - важлива механічна властивість твердих тіл у фізиці, яка характеризує здатність пластично деформуватися матеріал без руйнування в результаті впливу на нього великих тисків. На відміну від тягучості, яка дозволяє отримувати тонкі нитки, хороша ковкість дозволяє отримувати тонкі пластини. Хорошою ковкістю володіють золото, платина, срібло, мідь і залізо.

Крихко-в 'язкий перехід

Крихкість і в 'язкість є основними механічними властивостями твердих тіл, оскільки вони характеризують процес руйнування даного матеріалу. Механічне руйнування відбувається, коли зовнішня напруга перевищує певні значення, або величина деформації стає істотною. При цьому матеріал руйнується через поширення тріщин у ньому, оскільки у вершині тріщини знаходяться максимальні локальні напруги.

В основі класифікації крихкого і в 'язкого руйнувань лежить величина поглинається при цьому руйнуванні енергії, яка визначається як витвір діючих напружень на величину деформації тіла. Прикладами речовин, які руйнуються крихко, тобто їх енергія руйнування мала, є скло і керамічні матеріали.

Руйнування металів при певних температурах є в 'язким, тобто йде з поглинанням великої кількості енергії. Слід зазначити, що температура, а також хімічний склад і будова твердого тіла є основними факторами, які визначають, чи буде руйнування крихким або в 'язким.

Знання температури крихко-в 'язкого переходу для даного матеріалу є важливим перед тим, як використовувати цей матеріал в будь-яких конструкціях.

Твердість тіл

Якщо говорити коротко про механічні властивості твердих тіл, то не можна не згадати твердість, яка характеризує здатність тіла протистояти проникненню в нього і абразивному зносу. Наприклад, дерево можна легко подряпати, це означає, що воно не має великої твердості. Навпаки, будь-який метал дуже важко подряпати, тобто значення твердості для нього велике.

Саме використовуючи метод "дряпання" "одного тіла іншим, можна визначити відносну твердість. Тверді речовини, які утворені ковалентними зв 'язками, володіють великими значеннями твердості, а самим твердим природним матеріалом є алмаз.

Сучасні способи вимірювання твердості

Для вивчення механічних властивостей твердих тіл у плані твердості використовують різні сучасні установки, принцип дії яких полягає у втисканні індентора в матеріал і подальшому вимірі глибини його впровадження під цим навантаженням. У промислових масштабах застосовуються такі методи вимірювання твердості:

  • Твердість по Брінелю. Як матеріал індентора використовується карбід вольфраму або загартована сталь. Сам індентор представляє кульку. Цей метод є легким при його реалізації, проте в ряді випадків його точності недостатньо, наприклад, при вимірюванні твердих матеріалів або пластин з товщиною менше 6 мм.
  • Твердість по Роквелу. Індентор в даному методі вимірювання твердості являє собою алмазний конус невеликого розміру. Цей метод є досить точним і придатним для вимірювання зазначеної фізичної характеристики будь-яких матеріалів.
  • Твердість по Віккерсу. В якості індентора використовується алмазна піраміда. Цей метод є поліпшеним варіантом вимірювання твердості за Брінелем, оскільки дозволяє вимірювати твердість пластин, товщина яких перевищує 2 мм.