Čvrsti materijal predstavlja jedno od četiri stanja agregacije u kojima može biti materija oko nas. U ovom članku razmotrit ćemo koja su mehanička svojstva svojstvena čvrstim tvarima, uzimajući u obzir osobitosti njihove unutarnje strukture.
Što je čvrsti materijal?
Možda svatko može odgovoriti na ovo pitanje. Komad željeza, računalo, pribor za jelo, automobili, avioni, kamen, snijeg su svi primjeri čvrstih tijela. S fizikalne točke gledišta, čvrsto agregatno stanje tvari shvaća se kao njezina sposobnost da zadrži svoj oblik i volumen pod različitim mehaničkim utjecajima. Upravo ta mehanička svojstva krutih tvari razlikuju ih od plinova, tekućina i plazme. Imajte na umu da tekućina također zadržava volumen (nije nestlačiva).
Navedeni primjeri čvrstih materijala pomoći će vam da jasnije shvatite kakvu važnu ulogu imaju za ljudski život i tehnološki razvoj društva.
Postoji nekoliko fizikalnih i kemijskih disciplina koje proučavaju stanje tvari. Navodimo samo najvažnije od njih:
- čvrsta fizikatijelo;
- mehanika deformacije;
- znanost o materijalima;
- čvrsta kemija.
Struktura od tvrdih materijala
Prije razmatranja mehaničkih svojstava čvrstih tijela, treba se upoznati s njihovom unutarnjom strukturom na atomskoj razini.
Različitost čvrstih materijala u njihovoj strukturi je velika. Ipak, postoji univerzalna klasifikacija, koja se temelji na kriteriju periodičnosti rasporeda elemenata (atoma, molekula, atomskih nakupina) koji čine tijelo. Prema ovoj klasifikaciji, sve čvrste tvari dijele se na sljedeće:
- kristalna;
- amorfno.
Počnimo s drugom. Amorfno tijelo nema nikakvu uređenu strukturu. Atomi ili molekule u njemu raspoređeni su nasumično. Ova značajka dovodi do izotropnosti svojstava amorfnih materijala, odnosno svojstva ne ovise o smjeru. Najupečatljiviji primjer amorfnog tijela je staklo.
Kristalna tijela ili kristali, za razliku od amorfnih materijala, imaju raspored strukturnih elemenata raspoređenih u prostoru. Na mikroskali mogu razlikovati kristalne ravnine i paralelne atomske redove. Zbog ove strukture kristali su anizotropni. Štoviše, anizotropija se očituje ne samo u mehaničkim svojstvima čvrstih tijela, već iu svojstvima električnih, elektromagnetskih i drugih. Na primjer, kristal turmalina može prenositi vibracije svjetlosnog vala samo u jednom smjeru, što dovodi dopolarizacija elektromagnetskog zračenja.
Primjeri kristala su gotovo svi metalni materijali. Najčešće se nalaze u tri kristalne rešetke: kubičnoj s licem i tijelom (fcc i bcc) i heksagonalnoj zbijenoj (hcp). Drugi primjer kristala je obična kuhinjska sol. Za razliku od metala, njegovi čvorovi ne sadrže atome, već kloridne anione ili natrijeve katione.
Elastičnost je glavno svojstvo svih tvrdih materijala
Primjenom čak i najmanjeg naprezanja na kruto tijelo, uzrokujemo njegovu deformaciju. Ponekad deformacija može biti toliko mala da se ne može primijetiti. Međutim, svi čvrsti materijali se deformiraju kada se primijeni vanjsko opterećenje. Ako nakon uklanjanja ovog opterećenja deformacija nestane, onda govore o elastičnosti materijala.
Živan primjer fenomena elastičnosti je kompresija metalne opruge, što je opisano Hookeovim zakonom. Kroz silu F i apsolutnu napetost (kompresiju) x, ovaj zakon je zapisan na sljedeći način:
F=-kx.
Ovdje k je neki broj.
U slučaju masivnih metala, Hookeov zakon se obično piše u terminima primijenjenog vanjskog naprezanja σ, relativnog naprezanja ε i Youngovog modula E:
σ=Eε.
Youngov modul je konstantna vrijednost za određeni materijal.
Obilježje elastične deformacije, koje je razlikuje od plastične deformacije, je reverzibilnost. Relativne promjene veličine čvrstih tijela pod elastičnom deformacijom ne prelaze 1%. Najčešće leže u području od 0,2%. Elastična svojstva čvrstih tijela karakteriziraju odsutnost pomaka položaja strukturnih elemenata u kristalnoj rešetki materijala nakon prestanka vanjskog opterećenja.
Ako je vanjska mehanička sila dovoljno velika, onda nakon prestanka njezina djelovanja na tijelo, možete vidjeti zaostalu deformaciju. Zove se plastika.
Plastičnost čvrstih materijala
Razmatrali smo elastična svojstva čvrstih tijela. Prijeđimo sada na karakteristike njihove plastičnosti. Mnogi ljudi znaju i primijetili su da ako čekićem udarite čavao, on postaje spljošten. Ovo je primjer plastične deformacije. Na atomskoj razini, to je složen proces. Plastična deformacija se ne može dogoditi u amorfnim tijelima, tako da se staklo ne deformira kada se udari, već se sruši.
Čvrsta tijela i njihova sposobnost plastičnog deformiranja ovise o kristalnoj strukturi. Razmatrana nepovratna deformacija nastaje zbog pomicanja posebnih atomskih kompleksa u volumenu kristala, koji se nazivaju dislokacije. Potonji mogu biti dvije vrste (granični i vijčani).
Od svih čvrstih materijala, metali imaju najveću plastičnost, budući da pružaju veliki broj ravnina klizanja usmjerenih pod različitim kutovima u prostoru za dislokacije. Suprotno tome, materijali s kovalentnim ili ionskim vezama bit će krhki. To se može pripisatidragulje ili spomenutu kuhinjsku sol.
Krhkost i žilavost
Ako stalno primjenjujete vanjsku silu na bilo koji čvrsti materijal, on će se prije ili kasnije srušiti. Postoje dvije vrste uništenja:
- fragile;
- viskozan.
Prvi karakterizira pojava i brzi rast pukotina. Krhki lomovi dovode do katastrofalnih posljedica u proizvodnji, stoga se nastoje koristiti materijali i njihovi radni uvjeti pod kojima bi uništavanje materijala bilo duktilno. Potonji karakterizira spori rast pukotine i apsorpcija velike količine energije prije loma.
Za svaki materijal postoji temperatura koja karakterizira prijelaz krhko-duktilni. U većini slučajeva, smanjenje temperature mijenja lom iz duktilnog u krhak.
ciklična i trajna opterećenja
U inženjerstvu i fizici svojstva čvrstih tijela također su karakterizirana vrstom opterećenja na njih. Dakle, stalni ciklički učinak na materijal (na primjer, napetost-kompresija) opisuje se takozvanim otporom na zamor. Pokazuje koliko ciklusa primjene određene količine naprezanja materijal zajamčeno može izdržati bez loma.
Umor materijala se također proučava pod stalnim opterećenjem, mjerenjem brzine deformacije tijekom vremena.
Tvrdoća materijala
Jedno od važnih mehaničkih svojstava čvrstih tvari je tvrdoća. Ona definirasposobnost materijala da spriječi unošenje stranog tijela u njega. Empirijski je vrlo jednostavno odrediti koje je od dva tijela teže. Potrebno je samo jedan od njih zagrebati drugim. Dijamant je najtvrđi kristal. Izgrebat će bilo koji drugi materijal.
Ostala mehanička svojstva
Tvrdi materijali imaju neka mehanička svojstva koja se razlikuju od gore navedenih. Navodimo ih ukratko:
- duktilnost - sposobnost poprimanja različitih oblika;
- duktilnost - sposobnost rastezanja u tanke niti;
- sposobnost odupiranja posebnim vrstama deformacija, kao što su savijanje ili uvijanje.
Dakle, mikroskopska struktura čvrstih tijela uvelike određuje njihova svojstva.
