Основни механични свойства на твърдите вещества

Твърдото е едно от четирите състояния на материята, включително плазмата, които могат да съществуват в природата. Това състояние на материята се характеризира с факта, че се противопоставя на всяка външна сила, която действа върху нея, за да промени формата и обема на тялото. С други думи, механичните свойства на твърдите вещества са тяхната отличителна характеристика.

Кристални и аморфни твърди вещества

Преди да разгледаме въпроса за механичните свойства на твърдите вещества, трябва да се каже, че те имат два вида в атомната си структура:

• кристали;
• аморфно състояние.

В кристалните тела се запазва отдалечен ред, тоест, като се знае положението на атомите в определен минимален обем на веществото, може да се опише положението на всички останали атоми на кристала, като се преведат атомите, които са в минималния обем, в определени транслационни вектори.

В аморфните тела няма далечен ред, но има подреждане на късите разстояния в подреждането на атомите, т.е. съседните атоми за даден атом образуват локална структура на клъстера, която е еднаква за всички атоми на аморфното тяло.

Разликата в свойствата на кристалите и аморфните тела

Поради различията във вътрешната структура на кристалите и аморфните тела, много от техните свойства са различни, например кристалните вещества имат специфична точка на топене, за аморфните тела тази стойност не е постоянна. Кристалите се характеризират с анизотропия, т.е. с зависимостта на различни физични свойства от пространствената посока, докато аморфните тела са изотропни.

Примери за кристали са твърди оксиди, сулфати, метали, карбиди. Аморфните вещества включват стъкло, полимери, каучук.

Химическа връзка в твърди вещества

Механичните свойства на твърдите вещества се определят до голяма степен от вида на химичните връзки, които образуват тези тела. Има следните видове комуникация:

• Молекулярна. Характерът на тази връзка е в дипол-диполните електрически взаимодействия, които възникват поради моментната поляризация на атомите, състояща се от отрицателно заредена електронна обвивка и положително заредено атомно ядро. Също така, тази връзка се нарича Ван дер Ваалса. Ярък пример за такива кристали са почти всички органични съединения, както и сяра.
• Ковалентна. Този вид връзка е достатъчно силен, за да се формира ковалентна връзка когато външните електронни обвивки на съседни атоми се припокриват. Например, диамантен кристал се образува изключително от ковалентни връзки.
• Metal. Този вид връзка е характерен за метали и сплави. Метална връзка е достатъчно издръжлив. Тя се формира благодарение на социализацията на атомните електрони, чиято съвкупност се нарича електронен газ. Този електронен газ се разпределя в кристалната решетка на метала, чиито възли са катиони на атомите.
• Ion. Тази връзка се формира благодарение на кулоновите взаимодействия и е доста силна. Ярък пример за кристали йонна връзка е кристал на NaCl, в който положителните натриеви йони са заобиколени от отрицателни хлорни йони.

В следващата статия са изброени механичните свойства на твърдите вещества, които до голяма степен са свързани с вида на връзката между съставните им частици и типа пространствено разположение на тези частици.

Еластична деформация

За разлика от газове и течности, отличителното механично свойство на твърдите вещества е тяхната способност да се еластично деформират. Под еластичната деформация се разбира способността на тялото да промени формата си, когато е изложена на външни сили, но след това отново да възстанови първоначалната форма, когато действието на тези сили престане.

Еластичната деформация е описана от закона на Hooke. Механичното свойство на еластичността на твърдите частици в обобщения Hook закон има вида: σ _ij = Σ _{k, l} C _ijkl ε _kl , където σ _ij е напрежение от втория ред, C _ijkl са еластични константи за дадено вещество, ε _kl е относителен тензор на деформация. За линейния и изотропен случай, например, еластичното разтягане на метален прът, законът на Hooke приема формата: σ = Eε, където E е модулът на Young за даден материал.

Законът на Хук за пролетта

Една от простите формули за механичните свойства на твърдите вещества е законът на Hooke за пружина, която може да бъде записана като: F = - kx, където F е външната сила, опън или натиск на пружината, x е абсолютната стойност на компресия или напрежение на пружината от равновесното му положение при отсъствие на действие външна сила, k е еластичната константа, която зависи от материала, от който е направена пружината, както и от нейната дължина.

Според закона на Hooke е възможно да се определи енергията, която пролетта съхранява чрез промяна на нейната дължина с величина x, като тази енергия се определя по формулата: E = ½kx ² .

Пластична деформация

Всеки материал има определено ограничение на стойността на относителната деформация, след което може да се срути или да започне да се деформира пластично. Под пластична деформация се разбира промяна в формата на тялото, която остава след прекратяването на причинената от нея външна сила.

Не всички твърди вещества могат да се пластично деформират, например, телата, в които химичната връзка е ковалентна или йонна, са крехки, т.е. след превишаване на границата на еластичното напрежение, те се унищожават. Пластичната деформация като механично свойство на твърдите вещества се изразява в метални материали. Металите могат пластично да се деформират с десетки и дори стотици процента, без да изпитват механични повреди. Това свойство на металите се дължи на техните особености кристални решетки и наличието в тях на специални атомни структури - дислокации.

Гъвкавост и ковкост

Изследването на механичните свойства на твърдите вещества се отнася и до издръжливостта и пластичността, които са разновидности на пластичната деформация.

Характеристики на способността на някои материали, като метали, да демонстрират устойчива пластична деформация от стотици и хиляди процента без механично разрушаване. Дуктичността ви позволява да вземете кабела. Не трябва да се мисли, че вискозните материали не могат да се срутят, но за разлика от нелетливите материали, тяхното разрушаване се случва, след като деформациите им достигнат големи стойности.

Пластичността е важно механично свойство на твърдите вещества във физиката, което характеризира способността за пластично деформиране на материал без разрушаване в резултат на излагане на високо налягане. За разлика от еластичността, която позволява да се получат тънки нишки, добрата пластичност позволява да се получат тънки плочи. Злато, платина, сребро, мед и желязо притежават добра ковкост.

Кристално-вискозен преход

Нестабилността и вискозитетът са основните механични свойства на твърдите вещества, тъй като те характеризират процеса на разрушаване на даден материал. Механичният отказ възниква, когато външен стрес превишава определена стойност, или стойността на деформацията става значителна. В този случай материалът се разрушава поради разпространението на пукнатини в него, тъй като максималните локални напрежения са разположени на върха на пукнатината.

Класификацията на крехки и вискозни фрактури се основава на количеството енергия, погълнато по време на това разрушаване, което се определя като произведение на действащите напрежения и размера на деформацията на тялото. Примери за вещества, които разрушават крехкото, т.е. тяхната енергия за разрушаване е малка, са стъкло и керамични материали.

Разрушаването на метали при определени температури е вискозно, тоест идва с абсорбирането на големи количества енергия. Трябва да се отбележи, че температурата, както и химичният състав и структурата на твърдото вещество, са основните фактори, които определят дали разрушаването ще бъде крехко или вискозно.

Познаването на крехко-вискозната температура на прехода за даден материал е важно преди да се използва този материал във всякакви конструкции.

Твърдост на тялото

Ако говорим накратко за механичните свойства на твърдите вещества, тогава не можем да не споменем твърдостта, която характеризира способността на тялото да устои на проникването в нея и абразивното износване. Например, едно дърво може лесно да се надраска, което означава, че няма голяма твърдост. Напротив, всеки метал е много труден за надраскване, т.е. стойността на твърдостта е голяма за него.

Това е чрез използване на метода на "чесане" на едно тяло с друго, за да се определи относителната твърдост. Твърдите вещества, които се образуват от ковалентни връзки, имат големи стойности на твърдост, а диамантът е най-твърдият естествен материал.

Съвременни методи за измерване на твърдостта

За изследване на механичните свойства на твърдите вещества по отношение на твърдостта се използват различни модерни инсталации, чийто принцип на действие се състои в пресоване на индентора в материала и след това измерване на дълбочината на въвеждането му при даден товар. В промишлен мащаб се използват следните методи за измерване на твърдостта:

• Твърдост на Бринел. Волфрам карбид или закалена стомана се използва като индентор материал. Самият индентор представлява топката. Този метод е лесен за изпълнение, но в някои случаи неговата точност не е достатъчна, например, когато се измерват твърди материали или плочи с дебелина по-малка от 6 mm.
• Твърдост на Рокуел. Инденторът в този метод за измерване на твърдост е малък диамантен конус. Този метод е достатъчно точен и е подходящ за измерване на определените физически характеристики на всички материали.
• Твърдост по Викерс. Като индентор се използва диамантена пирамида. Този метод е подобрена версия на измерването на твърдостта на Brinell, тъй като тя позволява да се измери твърдостта на плочите, чиято дебелина надвишава 2 mm.