Osnovne mehanske lastnosti trdnih snovi

Trdna snov je eno od štirih stanj snovi, vključno s plazmo, ki lahko obstaja v naravi. Za to stanje snovi je značilno dejstvo, da se upira kateri koli zunanji sili, ki deluje na njej, da spremeni obliko in obseg telesa. Z drugimi besedami, mehanske lastnosti trdnih snovi so njihova značilna značilnost.

Kristalne in amorfne trdne snovi

Pred obravnavo vprašanja mehanskih lastnosti trdnih snovi je treba povedati, da so v svoji atomski strukturi dveh vrst:

• kristali;
• amorfno stanje.

V kristalnih telesih se ohrani dolgoročni red, to pomeni, da lahko poznamo položaj atomov v določenem minimalnem volumnu snovi, lahko opišemo položaj vseh drugih atomov kristala, pri čemer se atomi, ki so v minimalnem volumnu, prevedejo v določene translacijske vektorje.

V amorfnih telesih ni daljinskega reda, vendar je v razporeditvi atomov red v kratkem razponu, to pomeni, da sosednji atomi za dani atom tvorijo lokalno strukturo gruč, ki je enaka za vse atome amorfnega telesa.

Razlika v lastnostih kristalov in amorfnih teles

Zaradi razlik v notranji strukturi kristalov in amorfnih teles so mnoge njihove lastnosti različne, npr. Kristalinične snovi imajo specifično tališče, pri amorfnih telesih pa ta vrednost ni konstantna. Za kristale je značilna anizotropija, to je odvisnost različnih fizikalnih lastnosti od prostorske smeri, medtem ko so amorfna telesa izotropna.

Primeri kristalov so trdni oksidi, sulfati, kovine, karbidi. Amorfne snovi vključujejo steklo, polimere, gumo.

Kemična vez v trdnih snoveh

Mehanske lastnosti trdnih snovi so v veliki meri odvisne od vrste kemijskih vezi, ki jih ti organi tvorijo. Obstajajo naslednje vrste komunikacij:

• Molekularna. Narava te povezave je v dipol-dipolnih električnih interakcijah, ki nastanejo zaradi trenutne polarizacije atomov, ki so sestavljeni iz negativno nabite elektronske lupine in pozitivno nabitega atomskega jedra. Tudi ta odnos se imenuje Van der Waalsa. Dober primer takšnih kristalov so skoraj vse organske spojine, pa tudi žveplo.
• Kovalentno. Ta vrsta vezi je dovolj močna, da se oblikuje kovalentna vez ko se zunanji elektronski lupini sosednjih atomov prekrivajo. Na primer, diamantni kristal nastane izključno s kovalentnimi vezmi.
• Kovinski. Ta vrsta vezi je značilna za kovine in zlitine. Kovinska vez je dovolj dolgotrajen. Nastal je zaradi socializacije atomskih elektronov, katerih skupnost se imenuje elektronski plin. Ta elektronski plin je porazdeljen po kristalni rešetki kovine, katere vozlišča so kationi atomov.
• Ionsko Ta odnos nastane zaradi Coulombovih interakcij in je precej močan. Odličen primer kristalov z ionske vezi je kristal NaCl, v katerem so pozitivni natrijevi ioni obdani z negativnimi klorovimi ioni.

Naslednji članek navaja mehanske lastnosti trdnih snovi, ki so v veliki meri povezane z vrsto vezi med njihovimi sestavnimi delci in tipom prostorske razporeditve teh delcev.

Elastična deformacija

Za razliko od plinov in tekočin je značilna mehanska lastnost trdnih snovi njihova sposobnost elastične deformacije. Pod elastično deformacijo se nanaša na sposobnost telesa, da spremeni svojo obliko, ko je izpostavljena zunanjim silam, potem pa spet ponovno vzpostavi prvotno obliko, ko preneha delovanje teh sil.

Elastično deformacijo opisuje Hookejev zakon. Mehanska lastnost elastičnosti trdnih snovi v posplošenem Hookejevem zakonu ima obliko: σ _ij = Σ _{k, l} C _ijkl ε _kl , kjer je σ _ij stres tenzorja drugega reda, C _ijkl so elastične konstante za dano snov, ε _kl je relativni deformacijski tenzor. Za linearni in izotropni primer, npr. Elastično raztezanje kovinskega droga, ima Hookejev zakon obliko: σ = Eε, kjer je E modul Younga za dani material.

Hookov zakon za pomlad

Ena od enostavnih formul za mehanske lastnosti trdnih snovi je Hookejev zakon za vzmet, ki jo lahko zapišemo kot: F = - kx, kjer je F zunanja sila, natezna ali tlačna vzmet, x je absolutna vrednost kompresije ali napetosti vzmeti iz njegovega ravnotežnega položaja v odsotnosti delovanja zunanja sila, k je elastična konstanta, ki je odvisna od materiala, iz katerega je izdelana vzmet, in od njene dolžine.

Po Hookejevem zakonu je mogoče določiti energijo, ki jo pomlad shrani s spremembo njene dolžine za količino x, ta energija pa je določena s formulo: E = ½kx ² .

Plastična deformacija

Vsak material ima določeno mejo vrednosti relativne deformacije, po kateri se lahko sesuje ali se plastično deformira. S plastično deformacijo je mišljena sprememba oblike telesa, ki ostane po prenehanju zunanje sile, ki jo je povzročila.

Vse trdne snovi se ne morejo plastično deformirati, na primer, telesa, v katerih je kemijska vez kovalentna ali ionska, so krhka, kar pomeni, da se po prekoračitvi meje elastične napetosti uničijo. Plastična deformacija kot mehanska lastnost trdnih snovi je izražena v kovinskih materialih. Kovine se lahko plastično deformirajo za desetine in celo stotine odstotkov brez mehanskih poškodb. Ta lastnost kovin je posledica njihovih posebnosti kristalne rešetke in prisotnost v njih posebnih atomskih struktur - dislokacij.

Temnost in tempranost

Proučevanje mehanskih lastnosti trdnih snovi se nanaša tudi na žilavost in prilagodljivost, ki sta različni plastični deformaciji.

Značilnosti sposobnosti nekaterih materialov, kot so kovine, da pokažejo trajno plastično deformacijo za več sto in tisoč odstotkov brez mehanskega uničenja. Duktilnost vam omogoča, da dobite žico. Ne smemo misliti, da se viskozni materiali ne morejo zrušiti, vendar se v nasprotju z nehlapnimi materiali njihovo uničenje pojavi, ko njihove deformacije dosežejo velike vrednosti.

Duktilnost je pomembna mehanska lastnost trdnih snovi v fiziki, ki označuje sposobnost plastične deformacije materiala brez uničenja zaradi izpostavljenosti visokim tlakom. V nasprotju z elastičnostjo, ki omogoča pridobivanje tankih filamentov, dobra duktilnost omogoča pridobivanje tankih plošč. Zlato, platina, srebro, baker in železo imajo dobro klatljivost.

Krhek-viskozen prehod

Krhkost in viskoznost sta osnovni mehanski lastnosti trdnih snovi, saj sta značilni za proces uničenja določenega materiala. Mehanska okvara se pojavi, ko zunanja napetost preseže določeno vrednost, ali vrednost obremenitve postane pomembna. V tem primeru se material uniči zaradi širjenja razpok v njem, saj se maksimalne lokalne napetosti nahajajo na konici razpoke.

Razvrstitev krhkih in viskoznih zlomov temelji na količini energije, ki se absorbira med tem uničenjem, ki je opredeljena kot produkt stresnih vplivov in količine deformacij telesa. Primeri snovi, ki razgrajujejo krhka, to je njihova energija za uničevanje je majhna, so stekleni in keramični materiali.

Uničevanje kovin pri določenih temperaturah je viskozno, torej pri absorpciji velike količine energije. Treba je opozoriti, da so temperatura, kemijska sestava in struktura trdne snovi glavni dejavniki, ki določajo, ali bo uničevanje krhko ali viskozno.

Poznavanje temperature krhkega viskoznega prehoda za določen material je pomembno pred uporabo tega materiala v kakršnih koli konstrukcijah.

Trdota telesa

Če na kratko govorimo o mehanskih lastnostih trdnih snovi, potem ne smemo pozabiti omeniti trdote, ki je značilna za sposobnost telesa, da se upre penetraciji in abrazivni obrabi. Na primer, drevo se lahko enostavno opraska, kar pomeni, da nima velike trdote. Nasprotno, katerakoli kovina je zelo težko opraskati, kar pomeni, da je vrednost trdote odlična.

Z metodo "praskanja" enega telesa z drugim lahko določimo relativno trdoto. Trdne snovi, ki jih tvorijo kovalentne vezi, imajo velike vrednosti trdote in diamant je najtežji naravni material.

Sodobne metode merjenja trdote

Za preučevanje mehanskih lastnosti trdnih snovi glede trdote se uporabljajo različne sodobne instalacije, katerih princip delovanja je stiskanje indenterja v material in merjenje globine vnosa pod določeno obremenitev. V industrijskem merilu se uporabljajo naslednje metode za merjenje trdote:

• Trdota po Brinellu. Volframov karbid ali kaljeno jeklo se uporablja kot vmesni material. Sam indenter predstavlja žogo. Ta metoda je enostavna za izvajanje, vendar v nekaterih primerih njena natančnost ni dovolj, na primer pri merjenju trdnih materialov ali plošč z debelino, manjšo od 6 mm.
• Trdota po Rockwellu. Indenter pri tej metodi za merjenje trdote je majhni konus z majhno velikostjo. Ta metoda je dovolj natančna in primerna za merjenje določenih fizikalnih lastnosti vseh materialov.
• Trdota po Vickersu. Diamantna piramida se uporablja kot indenter. Ta metoda je izboljšana različica merjenja trdote po Brinellu, saj omogoča merjenje trdote plošč, katerih debelina presega 2 mm.