Το στερεό υλικό αντιπροσωπεύει μία από τις τέσσερις καταστάσεις συσσωμάτωσης στις οποίες μπορεί να βρίσκεται η ύλη γύρω μας. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε ποιες μηχανικές ιδιότητες είναι εγγενείς στα στερεά, λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιαιτερότητες της εσωτερικής δομής τους.
Τι είναι ένα στερεό υλικό;
Ίσως όλοι μπορούν να απαντήσουν σε αυτήν την ερώτηση. Ένα κομμάτι σίδερο, ένας υπολογιστής, μαχαιροπίρουνα, αυτοκίνητα, αεροπλάνα, πέτρες, χιόνι είναι όλα παραδείγματα στερεών. Από φυσική άποψη, η στερεά αθροιστική κατάσταση της ύλης νοείται ως η ικανότητά της να διατηρεί το σχήμα και τον όγκο της κάτω από διάφορες μηχανικές επιδράσεις. Αυτές οι μηχανικές ιδιότητες των στερεών είναι που τα διακρίνουν από τα αέρια, τα υγρά και το πλάσμα. Σημειώστε ότι το υγρό διατηρεί επίσης όγκο (είναι ασυμπίεστο).
Τα παραπάνω παραδείγματα στερεών υλικών θα σας βοηθήσουν να κατανοήσετε με μεγαλύτερη σαφήνεια τι σημαντικό ρόλο διαδραματίζουν για την ανθρώπινη ζωή και την τεχνολογική ανάπτυξη της κοινωνίας.
Υπάρχουν αρκετοί φυσικοί και χημικοί κλάδοι που μελετούν την υπό εξέταση κατάσταση της ύλης. Παραθέτουμε μόνο τα πιο σημαντικά από αυτά:
- στερεά φυσικήσώμα;
- μηχανική παραμόρφωσης;
- επιστήμη υλικών;
- στερεά χημεία.
Δομή σκληρών υλικών
Πριν εξετάσουμε τις μηχανικές ιδιότητες των στερεών, θα πρέπει κανείς να εξοικειωθεί με την εσωτερική τους δομή σε ατομικό επίπεδο.
Η ποικιλία των στερεών υλικών στη δομή τους είναι μεγάλη. Παρόλα αυτά, υπάρχει μια καθολική ταξινόμηση, η οποία βασίζεται στο κριτήριο της περιοδικότητας της διάταξης των στοιχείων (άτομα, μόρια, ατομικά σμήνη) που αποτελούν το σώμα. Σύμφωνα με αυτή την ταξινόμηση, όλα τα στερεά χωρίζονται στα ακόλουθα:
- κρυσταλλικό;
- άμορφο.
Ας ξεκινήσουμε με το δεύτερο. Ένα άμορφο σώμα δεν έχει διατεταγμένη δομή. Τα άτομα ή τα μόρια σε αυτό είναι διατεταγμένα τυχαία. Αυτό το χαρακτηριστικό οδηγεί στην ισοτροπία των ιδιοτήτων των άμορφων υλικών, δηλαδή οι ιδιότητες δεν εξαρτώνται από την κατεύθυνση. Το πιο εντυπωσιακό παράδειγμα άμορφου σώματος είναι το γυαλί.
Τα κρυσταλλικά σώματα ή κρύσταλλοι, σε αντίθεση με τα άμορφα υλικά, έχουν μια διάταξη δομικών στοιχείων διατεταγμένα στο διάστημα. Στη μικροκλίμακα, μπορούν να διακρίνουν μεταξύ κρυσταλλικών επιπέδων και παράλληλων ατομικών σειρών. Λόγω αυτής της δομής, οι κρύσταλλοι είναι ανισότροποι. Επιπλέον, η ανισοτροπία εκδηλώνεται όχι μόνο στις μηχανικές ιδιότητες των στερεών, αλλά και στις ιδιότητες των ηλεκτρικών, ηλεκτρομαγνητικών και άλλων. Για παράδειγμα, ένας κρύσταλλος τουρμαλίνης μπορεί να μεταδώσει μόνο κραδασμούς ενός φωτεινού κύματος προς μία κατεύθυνση, η οποία οδηγεί σεπόλωση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Παραδείγματα κρυστάλλων είναι σχεδόν όλα τα μεταλλικά υλικά. Βρίσκονται συχνότερα σε τρία κρυσταλλικά πλέγματα: με επίκεντρο το πρόσωπο και το σώμα κυβικό (fcc και bcc, αντίστοιχα) και εξαγωνικό κλειστό (hcp). Ένα άλλο παράδειγμα κρυστάλλων είναι το κοινό επιτραπέζιο αλάτι. Σε αντίθεση με τα μέταλλα, οι κόμβοι του δεν περιέχουν άτομα, αλλά ανιόντα χλωρίου ή κατιόντα νατρίου.
Η ελαστικότητα είναι η κύρια ιδιότητα όλων των σκληρών υλικών
Ασκώντας ακόμη και την παραμικρή τάση σε ένα στερεό, το κάνουμε να παραμορφωθεί. Μερικές φορές η παραμόρφωση μπορεί να είναι τόσο μικρή που δεν μπορεί να γίνει αντιληπτή. Ωστόσο, όλα τα στερεά υλικά παραμορφώνονται όταν εφαρμόζεται εξωτερικό φορτίο. Εάν μετά την αφαίρεση αυτού του φορτίου εξαφανιστεί η παραμόρφωση, τότε μιλούν για ελαστικότητα του υλικού.
Ένα ζωντανό παράδειγμα του φαινομένου της ελαστικότητας είναι η συμπίεση ενός μεταλλικού ελατηρίου, η οποία περιγράφεται από το νόμο του Hooke. Μέσω της δύναμης F και της απόλυτης τάσης (συμπίεση) x, αυτός ο νόμος γράφεται ως εξής:
F=-kx.
Εδώ k είναι κάποιος αριθμός.
Στην περίπτωση των χύδην μετάλλων, ο νόμος του Hooke συνήθως γράφεται με όρους της εφαρμοζόμενης εξωτερικής τάσης σ, της σχετικής τάσης ε και του συντελεστή του Young E:
σ=Eε.
Ο συντελεστής του Young είναι μια σταθερή τιμή για ένα συγκεκριμένο υλικό.
Χαρακτηριστικό της ελαστικής παραμόρφωσης, που τη διακρίνει από την πλαστική παραμόρφωση, είναι η αναστρεψιμότητα. Οι σχετικές αλλαγές στο μέγεθος των στερεών υπό ελαστική παραμόρφωση δεν υπερβαίνουν το 1%. Τις περισσότερες φορές βρίσκονται στην περιοχή του 0,2%. Οι ελαστικές ιδιότητες των στερεών χαρακτηρίζονται από την απουσία μετατόπισης των θέσεων των δομικών στοιχείων στο κρυσταλλικό πλέγμα του υλικού μετά τον τερματισμό του εξωτερικού φορτίου.
Αν η εξωτερική μηχανική δύναμη είναι αρκετά μεγάλη, τότε μετά τον τερματισμό της δράσης της στο σώμα, μπορείτε να δείτε την υπολειπόμενη παραμόρφωση. Λέγεται πλαστικό.
Πλαστικότητα στερεών
Έχουμε εξετάσει τις ελαστικές ιδιότητες των στερεών. Ας περάσουμε τώρα στα χαρακτηριστικά της πλαστικότητάς τους. Πολλοί γνωρίζουν και έχουν παρατηρήσει ότι αν χτυπήσεις ένα καρφί με ένα σφυρί, αυτό ισιώνει. Αυτό είναι ένα παράδειγμα πλαστικής παραμόρφωσης. Σε ατομικό επίπεδο, είναι μια πολύπλοκη διαδικασία. Η πλαστική παραμόρφωση δεν μπορεί να συμβεί σε άμορφα σώματα, επομένως το γυαλί δεν παραμορφώνεται όταν χτυπηθεί, αλλά καταρρέει.
Τα στερεά σώματα και η ικανότητά τους να παραμορφώνονται πλαστικά εξαρτάται από την κρυσταλλική δομή. Η θεωρούμενη μη αναστρέψιμη παραμόρφωση συμβαίνει λόγω της κίνησης ειδικών ατομικών συμπλεγμάτων στον όγκο του κρυστάλλου, τα οποία ονομάζονται εξαρθρήματα. Το τελευταίο μπορεί να είναι δύο τύπων (οριακό και βιδωτό).
Από όλα τα στερεά υλικά, τα μέταλλα έχουν τη μεγαλύτερη πλαστικότητα, καθώς παρέχουν μεγάλο αριθμό επιπέδων ολίσθησης που κατευθύνονται σε διαφορετικές γωνίες στο χώρο για εξαρθρώσεις. Αντίθετα, υλικά με ομοιοπολικούς ή ιοντικούς δεσμούς θα είναι εύθραυστα. Αυτά μπορούν να αποδοθούνπολύτιμους λίθους ή το αναφερόμενο επιτραπέζιο αλάτι.
Ευθραυστότητα και σκληρότητα
Εάν εφαρμόζετε συνεχώς μια εξωτερική δύναμη σε οποιοδήποτε στερεό υλικό, τότε αργά ή γρήγορα θα καταρρεύσει. Υπάρχουν δύο τύποι καταστροφής:
- εύθραυστο;
- παχύρρευστο.
Το πρώτο χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση και την ταχεία ανάπτυξη των ρωγμών. Τα εύθραυστα σπασίματα οδηγούν σε καταστροφικές συνέπειες στην παραγωγή, επομένως, προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν υλικά και τις συνθήκες λειτουργίας τους υπό τις οποίες η καταστροφή του υλικού θα ήταν όλκιμη. Το τελευταίο χαρακτηρίζεται από αργή ανάπτυξη ρωγμών και απορρόφηση μεγάλης ποσότητας ενέργειας πριν από την αστοχία.
Για κάθε υλικό υπάρχει μια θερμοκρασία που χαρακτηρίζει την εύθραυστη-όλκιμο μετάβαση. Στις περισσότερες περιπτώσεις, μια μείωση της θερμοκρασίας αλλάζει το κάταγμα από όλκιμο σε εύθραυστο.
Κυκλικά και μόνιμα φορτία
Στη μηχανική και τη φυσική, οι ιδιότητες των στερεών χαρακτηρίζονται επίσης από τον τύπο του φορτίου που εφαρμόζεται σε αυτά. Έτσι, μια σταθερή κυκλική επίδραση στο υλικό (για παράδειγμα, τάση-συμπίεση) περιγράφεται από τη λεγόμενη αντίσταση κόπωσης. Δείχνει πόσους κύκλους εφαρμογής συγκεκριμένου ποσού καταπόνησης είναι εγγυημένο ότι το υλικό αντέχει χωρίς θραύση.
Η κόπωση ενός υλικού μελετάται επίσης υπό σταθερό φορτίο, με τη μέτρηση του ρυθμού καταπόνησης με την πάροδο του χρόνου.
Σκληρότητα υλικών
Μία από τις σημαντικές μηχανικές ιδιότητες των στερεών είναι η σκληρότητα. Αυτή ορίζειτην ικανότητα του υλικού να αποτρέπει την εισαγωγή ξένου σώματος σε αυτό. Εμπειρικά, είναι πολύ απλό να προσδιοριστεί ποιο από τα δύο σώματα είναι πιο σκληρό. Είναι απαραίτητο μόνο να ξύσετε το ένα από αυτά με το άλλο. Το διαμάντι είναι ο πιο σκληρός κρύσταλλος. Θα χαράξει οποιοδήποτε άλλο υλικό.
Άλλες μηχανικές ιδιότητες
Τα σκληρά υλικά έχουν κάποιες μηχανικές ιδιότητες διαφορετικές από αυτές που αναφέρθηκαν παραπάνω. Τα παραθέτουμε εν συντομία:
- ολκιμότητα - η ικανότητα να παίρνει διάφορα σχήματα;
- ολκιμότητα - η ικανότητα τεντώματος σε λεπτές κλωστές;
- ικανότητα αντίστασης σε ειδικούς τύπους παραμόρφωσης, όπως κάμψη ή συστροφή.
Έτσι, η μικροσκοπική δομή των στερεών καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις ιδιότητές τους.
