Trden material predstavlja eno od štirih agregacijskih stanj, v katerih je lahko snov okoli nas. V tem članku bomo preučili, katere mehanske lastnosti so lastne trdnim snovem, ob upoštevanju posebnosti njihove notranje strukture.
Kaj je trden material?
Morda lahko vsak odgovori na to vprašanje. Kos železa, računalnik, jedilni pribor, avtomobili, letala, kamen, sneg so vsi primeri trdnih snovi. S fizikalnega vidika se trdno agregatno stanje snovi razume kot njena sposobnost, da ob različnih mehanskih vplivih obdrži svojo obliko in prostornino. Prav te mehanske lastnosti trdnih snovi jih razlikujejo od plinov, tekočin in plazme. Upoštevajte, da tekočina ohranja tudi prostornino (je nestisljiva).
Zgornji primeri trdnih materialov bodo pomagali bolj jasno razumeti, kakšno pomembno vlogo imajo za človeško življenje in tehnološki razvoj družbe.
Obstaja več fizikalnih in kemijskih disciplin, ki preučujejo stanje snovi. Navajamo le najpomembnejše izmed njih:
- trdna fizikatelo;
- deformacijska mehanika;
- znanost o materialih;
- trdna kemija.
Struktura trdih materialov
Pred razmišljanjem o mehanskih lastnostih trdnih snovi se je treba seznaniti z njihovo notranjo strukturo na atomski ravni.
Različitost trdnih materialov v njihovi strukturi je velika. Kljub temu obstaja univerzalna klasifikacija, ki temelji na merilu periodičnosti razporeditve elementov (atomov, molekul, atomskih grozdov), ki sestavljajo telo. V skladu s to klasifikacijo so vse trdne snovi razdeljene na naslednje:
- kristalna;
- amorfno.
Začnimo z drugim. Amorfno telo nima urejene strukture. Atomi ali molekule v njej so razporejeni naključno. Ta lastnost vodi do izotropnosti lastnosti amorfnih materialov, to pomeni, da lastnosti niso odvisne od smeri. Najbolj presenetljiv primer amorfnega telesa je steklo.
Kristalna telesa ali kristali imajo za razliko od amorfnih materialov razporeditev strukturnih elementov, urejenih v prostoru. Na mikroskali lahko razlikujejo med kristalnimi ravninami in vzporednimi atomskimi vrstami. Zaradi te strukture so kristali anizotropni. Poleg tega se anizotropija ne kaže le v mehanskih lastnostih trdnih snovi, temveč tudi v lastnostih električnih, elektromagnetnih in drugih. Na primer, kristal turmalina lahko prenaša vibracije svetlobnega vala samo v eno smer, kar vodi dopolarizacija elektromagnetnega sevanja.
Primeri kristalov so skoraj vsi kovinski materiali. Najpogosteje jih najdemo v treh kristalnih mrežah: kubični, osredotočeni na obraz in na telo (fcc oziroma bcc) in šestkotni tesno zloženi (hcp). Drug primer kristalov je navadna kuhinjska sol. Za razliko od kovin njegova vozlišča ne vsebujejo atomov, temveč kloridne anione ali natrijeve katione.
Elastičnost je glavna lastnost vseh trdih materialov
Z uporabo celo najmanjše napetosti na trdno snov povzročimo njeno deformacijo. Včasih je lahko deformacija tako majhna, da je ni mogoče opaziti. Vendar pa se vsi trdni materiali deformirajo, ko se uporabi zunanja obremenitev. Če po odstranitvi te obremenitve deformacija izgine, potem govorijo o elastičnosti materiala.
Nazoren primer pojava elastičnosti je stiskanje kovinske vzmeti, ki ga opisuje Hookeov zakon. Skozi silo F in absolutno napetost (stiskanje) x je ta zakon zapisan takole:
F=-kx.
Tukaj k je neka številka.
V primeru velikih kovin je Hookeov zakon običajno zapisan v smislu uporabljene zunanje napetosti σ, relativne deformacije ε in Youngovega modula E:
σ=Eε.
Youngov modul je konstantna vrednost za določen material.
Značilnost elastične deformacije, ki jo razlikuje od plastične deformacije, je reverzibilnost. Relativne spremembe velikosti trdnih snovi pri elastični deformaciji ne presegajo 1%. Najpogosteje ležijo v območju 0,2%. Za elastične lastnosti trdnih snovi je značilna odsotnost premika položajev strukturnih elementov v kristalni mreži materiala po prenehanju zunanje obremenitve.
Če je zunanja mehanska sila dovolj velika, potem lahko po prenehanju njenega delovanja na telo vidite preostalo deformacijo. Imenuje se plastika.
Plastičnost trdnih snovi
Upoštevali smo elastične lastnosti trdnih snovi. Zdaj pa pojdimo na značilnosti njihove plastičnosti. Mnogi ljudje vedo in so opazili, da če zadeneš žebelj s kladivom, se ta splošči. To je primer plastične deformacije. Na atomski ravni je to zapleten proces. V amorfnih telesih se ne more zgoditi plastična deformacija, zato se steklo ob udarcu ne deformira, ampak se zruši.
Trdna telesa in njihova sposobnost plastičnega deformiranja sta odvisna od kristalne strukture. Obravnavana nepovratna deformacija nastane zaradi premikanja posebnih atomskih kompleksov v volumnu kristala, ki se imenujejo dislokacije. Slednji je lahko dveh vrst (obrobni in vijačni).
Od vseh trdnih materialov imajo kovine največjo plastičnost, saj zagotavljajo veliko število drsnih ravnin, usmerjenih pod različnimi koti v prostoru za dislokacije. Nasprotno pa bodo materiali s kovalentnimi ali ionskimi vezmi krhki. Te je mogoče pripisatidragulje ali omenjeno kuhinjsko sol.
Krhkost in žilavost
Če nenehno izvajate zunanjo silo na kateri koli trdni material, se bo slej ko prej zrušil. Obstajata dve vrsti uničenja:
- fragile;
- viskozen.
Za prvo je značilen videz in hitra rast razpok. Krhki zlomi vodijo do katastrofalnih posledic v proizvodnji, zato poskušajo uporabiti materiale in njihove pogoje delovanja, pod katerimi bi bilo uničenje materiala duktilno. Za slednje je značilna počasna rast razpok in absorpcija velike količine energije pred odpovedjo.
Za vsak material obstaja temperatura, ki označuje prehod krhko-duktilni. V večini primerov znižanje temperature spremeni lom iz duktilnega v krhek.
ciklične in trajne obremenitve
V inženirstvu in fiziki so lastnosti trdnih snovi značilne tudi po vrsti obremenitve, ki se nanje nanaša. Torej, stalen ciklični učinek na material (na primer napetost-stiskanje) je opisan s tako imenovano odpornostjo proti utrujenosti. Kaže, koliko ciklov uporabe določene količine obremenitve bo material zagotovljeno vzdržal, ne da bi se zlomil.
Utrujenost materiala se preučuje tudi pri konstantni obremenitvi z merjenjem stopnje deformacije skozi čas.
Trdota materialov
Ena od pomembnih mehanskih lastnosti trdnih snovi je trdota. Ona definirasposobnost materiala, da prepreči vnos tujka vanj. Empirično je zelo preprosto ugotoviti, katero od obeh teles je težje. Samo enega od njih je treba opraskati z drugim. Diamant je najtrši kristal. Praskal bo kateri koli drug material.
Druge mehanske lastnosti
Trdi materiali imajo nekatere mehanske lastnosti, ki niso navedene zgoraj. Na kratko jih naštejemo:
- duktilnost - sposobnost sprejemanja različnih oblik;
- duktilnost - sposobnost raztezanja v tanke niti;
- zmožnost odpornosti na posebne vrste deformacij, kot je upogibanje ali zvijanje.
Tako mikroskopska struktura trdnih snovi v veliki meri določa njihove lastnosti.
