Základní mechanické vlastnosti pevných látek

Tuhá látka je jeden ze čtyř stavů hmoty, včetně plazmy, které mohou existovat v přírodě. Tento stav hmoty je charakterizován skutečností, že odolává jakékoliv vnější síle, která na ní působí, ke změně tvaru a objemu těla. Jinými slovy, mechanické vlastnosti pevných látek jsou jejich rozlišovací charakteristikou.

Krystalické a amorfní pevné látky

Než se budeme zabývat otázkou mechanických vlastností pevných látek, je třeba říci, že jsou ve svém atomovém uspořádání dva typy:

• krystaly;
• amorfní stav.

V krystalických tělech se zachovává řádek s dlouhým dosahem, tj. Poznání polohy atomů v určitém minimálním objemu látky, lze popsat pozici všech ostatních atomů krystalu a přeměnit atomy, které jsou v minimálním objemu, do určitých překladových vektorů.

V amorfních tělech neexistuje řádek na dlouhé vzdálenosti, ale existuje uspořádání krátkého dosahu v uspořádání atomů, to znamená, že sousední atomy daného atomu tvoří místní strukturu clusteru, která je stejná pro všechny atomy amorfního těla.

Rozdíl ve vlastnostech krystalů a amorfních těles

Kvůli rozdílům ve vnitřní struktuře krystalů a amorfních těles jsou mnohé z jejich vlastností odlišné, například krystalické látky mají specifickou teplotu tání u amorfních těles, tato hodnota není konstantní. Krystaly jsou charakterizovány anizotropií, tj. Závislostí různých fyzikálních vlastností na prostorovém směru, zatímco amorfní tělesa jsou izotropní.

Příklady krystalů jsou tuhé oxidy, sírany, kovy, karbidy. Mezi amorfní látky patří sklo, polymery, pryž.

Chemická vazba v pevných látkách

Mechanické vlastnosti pevných látek jsou z velké části určovány typem chemických vazeb, které tyto těla tvoří. Existují následující typy komunikace:

• Molekulární. Povaha tohoto spojení spočívá v interakcích dipól-dipól, které vznikají v důsledku okamžité polarizace atomů skládajících se z negativně nabitého elektronového obalu a kladně nabitého atomového jádra. Také tento vztah se nazývá Van der Waalsa. Živým příkladem takových krystalů jsou téměř všechny organické sloučeniny, stejně jako síra.
• Covalent. Tento typ vazby je dostatečně silný k vytvoření kovalentní vazbu kdy se vnější elektronové skořápky sousedních atomů překrývají. Například diamantový krystal je tvořen výhradně kovalentními vazbami.
• Kovové. Tento typ vazby je charakteristický pro kovy a slitiny. Kovová vazba je dostatečně odolný. Vznikla díky socializaci atomových elektronů, jejichž celkový je nazýván elektronovým plynem. Tento elektronový plyn je distribuován v krystalové mřížce kovu, jehož uzly jsou kationty atomů.
• Ionic Tento vztah vzniká díky interakcím Coulombů a je poměrně silný. Prvním příkladem krystalů s iontová vazba je krystal NaCl, ve kterém jsou kladné sodné ionty obklopeny negativními chlorovými ionty.

Následující článek uvádí mechanické vlastnosti pevných látek, které jsou z velké části příbuzné typu vazby mezi jejich částicemi a druhu prostorového uspořádání těchto částic.

Elastická deformace

Na rozdíl od plynů a kapalin je výraznou mechanickou vlastností pevných látek jejich schopnost elastické deformace. Pod elastickou deformací se rozumí schopnost těla měnit svůj tvar, když je vystavena vnějším silám, ale pak opět obnoví původní podobu, když přestane působit tyto síly.

Elastická deformace je popsána Hookovým zákonem. Mechanická vlastnost pevných látek - pružnost ve zobecněném zákonu Hooke má tvar: σ _ij = Σ _{k, l} C _ijkl ε _kl , kde σ _ij je tenzor stresu druhého řádu, C _ijkl jsou elastické konstanty pro danou látku, ε _kl je relativní deformační tenzor. Pro lineární a izotropní případ, například pro pružné protažení kovové tyče, má Hookův zákon formu: σ = Eε, kde E je Youngův modul pro daný materiál.

Hookův zákon pro jaro

Jednou z jednoduchých vzorců mechanických vlastností pevných látek je Hookův zákon pro pružinu, která může být napsána jako: F = - kx, kde F je vnější síla, pružina v tahu nebo komprese, x je absolutní hodnota stlačení nebo napětí pružiny z její rovnovážné polohy v nepřítomnosti působení vnější síla, k je elastická konstanta, která závisí na materiálu, ze kterého je pružina vyrobena, stejně jako na její délce.

Podle Hookeova zákona je možné stanovit energii, kterou pružina ukládá změnou její délky o množství x, je tato energie určena podle vzorce: E = ½kx ² .

Plastová deformace

Každý materiál má určitou hranici hodnoty relativní deformace, po níž se může buď zhroutit, nebo se plasticky deformovat. Plastickou deformací se rozumí změna tvaru těla, která zůstává po zastavení vnější síly, která ji způsobila.

Ne všechny pevné látky se mohou plasticky deformovat, například těla, ve kterých je chemická vazba kovalentní nebo iontová, jsou křehké, to znamená, že po překročení mezní hodnoty elastického napětí se zničí. Plastová deformace jako mechanická vlastnost pevných látek je vyslovována v kovových materiálech. Kovy se mohou plasticky deformovat desítkami a dokonce stovkami procent bez mechanického poškození. Tato vlastnost kovů je způsobena jejich zvláštnostmi krystalové mřížky a přítomnost speciálních atomových struktur v nich - dislokace.

Poddajnost a tvárnost

Studium mechanických vlastností pevných látek se týká také houževnatosti a tvárnosti, což jsou odrůdy plastické deformace.

Charakteristiky schopností některých materiálů, jako jsou kovy, prokázat trvalou plastickou deformaci stovkami a tisíci procenty bez mechanické destrukce. Tažnost vám umožňuje získat drát. Neměli bychom si myslet, že viskózní materiály se nemohou zhroutit, na rozdíl od neprchavých materiálů však dochází k jejich destrukci poté, co jejich deformace dosáhnou velkých hodnot.

Tažnost je důležitou mechanickou vlastností pevných látek ve fyzice, která charakterizuje schopnost plasticky deformovat materiál bez zničení v důsledku vystavení vysokým tlakům. Na rozdíl od pružnosti, která umožňuje získání tenkých vláken, umožňuje dobrá tažnost získat tenké desky. Zlato, platina, stříbro, měď a železo mají dobrou tvárnost.

Křehký viskózní přechod

Křehkost a viskozita jsou základní mechanické vlastnosti pevných látek, protože charakterizují proces ničení daného materiálu. Mechanická porucha nastane, když vnější namáhání překročí určitou hodnotu nebo se hodnota deformace stává významnou. V tomto případě je materiál zničen kvůli šíření trhlin v něm, protože maximální lokální napětí je umístěno na špičce trhliny.

Klasifikace křehkého a viskózního poškození je založena na množství energie absorbované během této destrukce, která je definována jako produkt působícího namáhání a množství deformace těla. Příklady látek, které se rozpadají křehké, to znamená, že jejich destrukční energie je malá, jsou skleněné a keramické materiály.

Zničení kovů při určitých teplotách je viskózní, tj. Přichází s absorpcí velkého množství energie. Mělo by být poznamenáno, že teplota, stejně jako chemické složení a struktura pevné látky jsou hlavními faktory, které určují, zda je destrukce křehká nebo viskózní.

Znalost křehké viskózní teploty přechodu pro daný materiál je důležitá před použitím tohoto materiálu v jakýchkoli konstrukcích.

Tvrdost těla

Pokud krátce mluvíme o mechanických vlastnostech pevných látek, nesmíme zmínit tvrdost, která charakterizuje schopnost těla odolat pronikání do těla a abrazivnímu opotřebení. Například strom může být snadno poškrábaný, což znamená, že nemá velkou tvrdost. Naopak, každý kov je velmi těžké škrábat, to znamená, že hodnota tvrdosti je pro něj skvělá.

Je to pomocí metody "poškrábání" jednoho těla s druhým, že lze určit relativní tvrdost. Pevné látky, které jsou tvořeny kovalentními vazbami, mají velké hodnoty tvrdosti a diamant je nejtěžší přírodní materiál.

Moderní metody měření tvrdosti

Pro studium mechanických vlastností pevných látek ve smyslu tvrdosti se používají různé moderní instalace, jejichž principu spočívá v lisování indenteru do materiálu a následné měření hloubky jeho zavedení pod daným zatížením. V průmyslovém měřítku se používají následující metody měření tvrdosti:

• Brinellova tvrdost. Karbid wolframu nebo tvrzená ocel se používá jako indenter. Indenter sám reprezentuje míč. Tato metoda je snadná, ale v některých případech je její přesnost nestačí, například při měření pevných materiálů nebo desek o tloušťce menší než 6 mm.
• Rockwell tvrdost. Indenter v této metodě pro měření tvrdosti je malý diamantový kužel. Tato metoda je dostatečně přesná a je vhodná pro měření specifikovaných fyzikálních vlastností jakýchkoliv materiálů.
• Tvrdost Vickers. Diamantová pyramida se používá jako indenter. Tato metoda je vylepšenou verzí měření tvrdosti podle Brinella, protože umožňuje měřit tvrdost desek, jejichž tloušťka přesahuje 2 mm.