Твердый материал представляет одно из четырех агрегатных состояний, в котором может находиться окружающая нас материя. В данной статье рассмотрим, какие механические свойства твердым телам присущи, учитывая особенности их внутреннего строения.
Что такое твердый материал?
Пожалуй, на этот вопрос может ответить каждый человек. Кусок железа, компьютер, столовые приборы, автомобили, самолеты, камень, снег - все это примеры твердых тел. С физической точки зрения, под твердым агрегатным состоянием материи понимается ее способность сохранять форму и объем при различных механических воздействиях. Именно эти механические свойства твердых тел отличают их от газа, жидкости и плазмы. Заметим, что жидкость также сохраняет объем (является несжимаемой).
Приведенные выше примеры твердых материалов помогут более четко представить, какую важную роль они играют для жизни человека и технологического развития общества.
Существует несколько физико-химических дисциплин, изучающих рассматриваемое агрегатное состояние вещества. Перечислим лишь самые важные из них:
- физика твердого тела;
- механика деформаций;
- наука о материалах;
- химия твердого вещества.
Структура твердых материалов
Перед тем, как рассматривать механические свойства твердых тел, следует познакомиться с их внутренней структурой на атомном уровне.
Разнообразие твердых материалов по своей структуре велико. Тем не менее, существует универсальная классификация, в основу которой положен критерий периодичности расположения составляющих тела элементов (атомов, молекул, атомных кластеров). Согласной этой классификации все твердые вещества делятся на следующие:
- кристаллические;
- аморфные.
Начнем со вторых. Аморфное тело не обладает какой-либо упорядоченной структурой. Атомы или молекулы в нем расположены хаотически. Эта особенность приводит к изотропии свойств аморфных материалов, то есть свойства не зависят от направления. Самым ярким примером аморфного тела является стекло.
Кристаллические тела или кристаллы, в отличии от аморфных материалов, имеют упорядоченное в пространстве расположение структурных элементов. В микромасштабе у них можно различить кристаллические плоскости и параллельные атомные ряды. Благодаря такой структуре кристаллы являются анизотропными. Причем анизотропия проявляется не только на механических свойствах твердых тел, но и на свойствах электрических, электромагнитных и других. Например, кристалл турмалина способен пропускать только колебания световой волны в одном направлении, что приводит к поляризации электромагнитного излучения.
Примерами кристаллов являются практически все металлические материалы. Они чаще всего встречаются в трех кристаллических решетках: гранецентрированной и объемно центрированной кубических (ГЦК и ОЦК, соответственно) и в гексагональной плотно упакованной (ГПУ). Еще одним примером кристаллов является знакомая всем поваренная соль. В отличие от металлов в ее узлах находятся не атомы, а анионы хлора или катионы натрия.
Упругость - главное свойство всех твердых материалов
Прилагая к твердому веществу даже самое маленькое напряжение, мы вызываем его деформацию. Иногда деформация может быть настолько маленькой, что этого можно не заметить. Тем не менее, все твердые материалы деформируются при приложении внешней нагрузки. Если после снятия этой нагрузки деформация исчезает, то говорят об упругости материала.
Яркий пример явления упругости - сжатие металлической пружины, которое описывается законом Гука. Через силу F и абсолютное растяжение (сжатие) x этот закон записывается так:
F = -k*x.
Здесь k - некоторое число.
В случае объемных металлов закон Гука принято записывать через приложенное внешнее напряжение σ, относительную деформацию ε и модуль Юнга E:
σ = E*ε.
Модуль Юнга является постоянной величиной для конкретного материала.
Особенностью упругой деформации, которая отличает ее от деформации пластической, является обратимость. Относительные изменения размеров твердых веществ при упругой деформации не превышают 1%. Чаще всего они лежат в районе 0,2 %. Упругие свойства твердых тел характеризуются отсутствием смещения положений структурных элементов в кристаллической решетке материала после прекращения действия внешней нагрузки.
Если внешнее механическое усилие достаточно велико, то после прекращения его действия на теле можно видеть остаточную деформацию. Она называется пластической.
Пластичность твердых веществ
Мы рассмотрели упругие свойства твердых тел. Теперь перейдем к характеристикам их пластичности. Многие знают и наблюдали, что если молотком ударить по гвоздю, то он становится сплюснутым. Это пример пластической деформации. На атомном уровне она представляет собой сложный процесс. Пластическая деформация не может идти в аморфных телах, поэтому стекло при ударе по нему не деформируется, а разрушается.
Твердые тела и их свойство пластически деформироваться зависит от кристаллического строения. Рассматриваемая необратимая деформация происходит за счет перемещения в объеме кристалла специальных атомных комплексов, которые называются дислокациями. Последние могут быть двух видов (краевые и винтовые).
Из всех твердых материалов наибольшей пластичностью обладают металлы, поскольку они предоставляют большое количество направленных под разными углами в пространстве плоскостей скольжения для дислокаций. Наоборот, имеющие ковалентные или ионные связи материалы будут хрупкими. К ним можно отнести драгоценные камни или упомянутую поваренную соль.
Хрупкость и вязкость
Если постоянно прилагать внешнее воздействие на любой твердый материал, то он рано или поздно разрушится. Существует два вида разрушений:
- хрупкое;
- вязкое.
Первое характеризуется возникновением и быстрым ростом трещин. Хрупкие разрушения приводят к катастрофическим последствиям на производстве, поэтому стараются использовать материалы и условия их эксплуатации, при которых разрушение материала было бы вязким. Последнее характеризуется медленным ростом трещин и поглощением большого количества энергии до разрушения.
Для каждого материала существует температура, которая характеризует хрупко-вязкий переход. В большинстве случаев уменьшение температуры переводит разрушение из вязкой области в хрупкую.
Циклические и постоянные нагрузки
В инженерии и физике свойства твердых тел также характеризуются по типу прилагаемой к ним нагрузки. Так, постоянное циклическое воздействие на материал (например, растяжение-сжатие) описывается так называемым сопротивлением усталости. Оно показывает, сколько циклов приложения конкретной величины напряжения материал гарантированно выдержит, не разрушившись.
Усталость материала также изучают при постоянной нагрузке, измеряя скорость деформации от времени.
Твердость материалов
Одним из важных механических свойств твердых тел является твердость. Она определяет способность материала препятствовать внедрению в него инородного тела. Опытным путем определить, какое из двух тел тверже, очень просто. Необходимо лишь поцарапать одно из них другим. Алмаз - самый твердый кристалл. Он царапает любой другой материал.
Другие механические свойства
Твердые материалы обладают некоторыми другими механическими свойствами, помимо отмеченных выше. Перечислим их кратко:
- ковкость - способность приобретать различную форму;
- тягучесть - способность вытягиваться в тонкие нити;
- способность сопротивляться специальным видам деформации, например, изгибу или кручению.
Таким образом, микроскопическое строение твердых тел свойства их во многом определяет.
