Soliede materiaal verteenwoordig een van die vier toestande van samevoeging waarin die materie rondom ons kan wees. In hierdie artikel sal ons oorweeg watter meganiese eienskappe inherent aan vaste stowwe is, met inagneming van die eienaardighede van hul interne struktuur.
Wat is 'n soliede materiaal?
Miskien kan almal hierdie vraag beantwoord. 'n Stuk yster, 'n rekenaar, eetgerei, motors, vliegtuie, klip, sneeu is almal voorbeelde van vaste stowwe. Vanuit 'n fisiese oogpunt word die vaste aggregaattoestand van materie verstaan as sy vermoë om sy vorm en volume onder verskeie meganiese invloede te behou. Dit is hierdie meganiese eienskappe van vaste stowwe wat hulle van gasse, vloeistowwe en plasmas onderskei. Let daarop dat die vloeistof ook volume behou (onsaamdrukbaar is).
Bogenoemde voorbeelde van soliede materiale sal help om duideliker te verstaan watter belangrike rol hulle vir die menslike lewe en die tegnologiese ontwikkeling van die samelewing speel.
Daar is verskeie fisiese en chemiese dissiplines wat die toestand van materie wat oorweeg word, bestudeer. Ons lys net die belangrikste van hulle:
- soliede fisikaliggaam;
- deformasiemeganika;
- materiaalwetenskap;
- soliede chemie.
Struktuur van harde materiale
Voordat die meganiese eienskappe van vaste stowwe oorweeg word, moet 'n mens kennis maak met hul interne struktuur op atoomvlak.
Die verskeidenheid soliede materiale in hul struktuur is groot. Nietemin is daar 'n universele klassifikasie, wat gebaseer is op die kriterium van die periodisiteit van die rangskikking van die elemente (atome, molekules, atoomclusters) waaruit die liggaam bestaan. Volgens hierdie klassifikasie word alle vaste stowwe in die volgende verdeel:
- kristallyn;
- amorf.
Kom ons begin met die tweede. 'n Amorfe liggaam het geen geordende struktuur nie. Atome of molekules daarin is ewekansig gerangskik. Hierdie kenmerk lei tot die isotropie van die eienskappe van amorfe materiale, dit wil sê die eienskappe hang nie van die rigting af nie. Die treffendste voorbeeld van 'n amorfe liggaam is glas.
Kristallyne liggame of kristalle, anders as amorfe materiale, het 'n rangskikking van strukturele elemente wat in die ruimte georden is. Op die mikroskaal kan hulle tussen kristallyne vlakke en parallelle atoomrye onderskei. As gevolg van hierdie struktuur is die kristalle anisotropies. Boonop manifesteer anisotropie nie net in die meganiese eienskappe van vaste stowwe nie, maar ook in die eienskappe van elektriese, elektromagnetiese en ander. Byvoorbeeld, 'n toermalyn kristal kan slegs vibrasies van 'n liggolf in een rigting oordra, wat lei totpolarisasie van elektromagnetiese straling.
Voorbeelde van kristalle is byna alle metaalmateriale. Hulle word meestal in drie kristalroosters aangetref: gesiggesentreerde en liggaamsgesentreerde kubieke (fcc en bcc, onderskeidelik) en seskantige geslote (hcp). Nog 'n voorbeeld van kristalle is gewone tafelsout. Anders as metale, bevat sy nodusse nie atome nie, maar chloried anione of natriumkatione.
Elastisiteit is die hoofeienskap van alle harde materiale
Deur selfs die kleinste spanning op 'n vaste stof toe te pas, laat ons dit vervorm. Soms kan die vervorming so klein wees dat dit nie opgemerk kan word nie. Alle vaste materiale vervorm egter wanneer 'n eksterne las toegepas word. As die vervorming na die verwydering van hierdie las verdwyn, dan praat hulle van die elastisiteit van die materiaal.
'n Aanskoulike voorbeeld van die verskynsel van elastisiteit is die saamdrukking van 'n metaalveer, wat deur Hooke se wet beskryf word. Deur die krag F en die absolute spanning (kompressie) x word hierdie wet soos volg geskryf:
F=-kx.
Hier is k 'n nommer.
In die geval van grootmaat metale, word Hooke se wet gewoonlik geskryf in terme van die toegepaste eksterne spanning σ, relatiewe vervorming ε en Young se modulus E:
σ=Eε.
Young se modulus is 'n konstante waarde vir 'n spesifieke materiaal.
Kenmerk van elastiese vervorming, wat dit van plastiese vervorming onderskei, is omkeerbaarheid. Relatiewe veranderinge in die grootte van vaste stowwe onder elastiese vervorming oorskry nie 1%. Meestal lê hulle in die omgewing van 0,2%. Die elastiese eienskappe van vaste stowwe word gekenmerk deur die afwesigheid van verplasing van die posisies van strukturele elemente in die kristalrooster van die materiaal na die beëindiging van die eksterne las.
As die eksterne meganiese krag groot genoeg is, kan jy na die beëindiging van die werking daarvan op die liggaam die oorblywende vervorming sien. Dit word plastiek genoem.
Plastisiteit van vaste stowwe
Ons het die elastiese eienskappe van vaste stowwe oorweeg. Kom ons gaan nou oor na die kenmerke van hul plastisiteit. Baie mense weet en het opgemerk dat as jy 'n spyker met 'n hamer slaan, dit plat raak. Dit is 'n voorbeeld van plastiese vervorming. Op atoomvlak is dit 'n komplekse proses. Plastiese vervorming kan nie in amorfe liggame voorkom nie, dus vervorm die glas nie wanneer dit getref word nie, maar stort inmekaar.
Soliede liggame en hul vermoë om plasties te vervorm hang af van die kristallyne struktuur. Die beskoude onomkeerbare vervorming vind plaas as gevolg van die beweging van spesiale atoomkomplekse in die volume van die kristal, wat ontwrigtings genoem word. Laasgenoemde kan van twee tipes wees (kantlyn en skroef).
Van alle soliede materiale het metale die grootste plastisiteit, aangesien dit 'n groot aantal glyvlakke verskaf wat teen verskillende hoeke in die ruimte gerig is vir ontwrigtings. Omgekeerd sal materiale met kovalente of ioniese bindings bros wees. Dit kan toegeskryf wordedelstene of die genoemde tafelsout.
Brosheid en taaiheid
As jy voortdurend 'n eksterne krag op enige vaste materiaal toepas, sal dit vroeër of later ineenstort. Daar is twee tipes vernietiging:
- broos;
- viskos.
Die eerste word gekenmerk deur die voorkoms en vinnige groei van krake. Bros frakture lei tot katastrofiese gevolge in produksie, daarom probeer hulle materiaal en hul bedryfstoestande gebruik waaronder die vernietiging van die materiaal rekbaar sou wees. Laasgenoemde word gekenmerk deur stadige kraakgroei en absorpsie van 'n groot hoeveelheid energie voor mislukking.
Vir elke materiaal is daar 'n temperatuur wat die bros-rekbare oorgang kenmerk. In die meeste gevalle verander 'n afname in temperatuur die fraktuur van rekbaar na bros.
Sikliese en permanente vragte
In ingenieurswese en fisika word die eienskappe van vaste stowwe ook gekenmerk deur die tipe las wat daarop toegepas word. Dus, 'n konstante sikliese effek op die materiaal (byvoorbeeld, spanning-kompressie) word beskryf deur die sogenaamde moegheidsweerstand. Dit wys hoeveel siklusse van toediening van 'n bepaalde hoeveelheid spanning die materiaal gewaarborg is om te weerstaan sonder om te breek.
Moegheid van 'n materiaal word ook bestudeer onder konstante las, deur die vervormingtempo oor tyd te meet.
Hardheid van materiale
Een van die belangrike meganiese eienskappe van vaste stowwe is hardheid. Sy definieerdie vermoë van die materiaal om die inbring van 'n vreemde liggaam daarin te voorkom. Empiries is dit baie eenvoudig om te bepaal watter van die twee liggame moeiliker is. Dit is net nodig om een van hulle met die ander te krap. Diamant is die hardste kristal. Dit sal enige ander materiaal krap.
Ander meganiese eienskappe
Harde materiale het ander meganiese eienskappe as dié hierbo genoem. Ons lys hulle kortliks:
- duktiliteit - die vermoë om verskeie vorms aan te neem;
- rekbaarheid - die vermoë om in dun drade te rek;
- vermoë om spesiale tipes vervorming te weerstaan, soos buiging of draai.
Die mikroskopiese struktuur van vaste stowwe bepaal dus grootliks hul eienskappe.
