Ang Solid na materyal ay kumakatawan sa isa sa apat na estado ng pagsasama-sama kung saan ang bagay sa paligid natin. Sa artikulong ito, isasaalang-alang natin kung anong mga mekanikal na katangian ang likas sa mga solido, na isinasaalang-alang ang mga kakaiba ng kanilang panloob na istraktura.
Ano ang solidong materyal?
Marahil ay masasagot ng lahat ang tanong na ito. Ang isang piraso ng bakal, isang computer, kubyertos, mga kotse, eroplano, bato, niyebe ay lahat ng mga halimbawa ng mga solido. Mula sa pisikal na pananaw, ang solid aggregate state ng matter ay nauunawaan bilang ang kakayahan nitong mapanatili ang hugis at volume nito sa ilalim ng iba't ibang mekanikal na impluwensya. Ito ang mga mekanikal na katangian ng mga solido na nagpapakilala sa kanila mula sa mga gas, likido, at mga plasma. Tandaan na ang fluid ay nagpapanatili din ng volume (ay hindi mapipigil).
Ang mga halimbawa sa itaas ng mga solidong materyales ay makakatulong upang maunawaan nang mas malinaw kung ano ang mahalagang papel na ginagampanan ng mga ito para sa buhay ng tao at sa pag-unlad ng teknolohiya ng lipunan.
May ilang mga pisikal at kemikal na disiplina na nag-aaral sa estado ng bagay na isinasaalang-alang. Inilista lang namin ang pinakamahalaga sa kanila:
- solid physicskatawan;
- mechanics ng deformation;
- materials science;
- solid chemistry.
Istruktura ng matitigas na materyales
Bago isaalang-alang ang mga mekanikal na katangian ng solids, dapat alamin ng isa ang panloob na istraktura nito sa atomic level.
Ang iba't ibang solid na materyales sa kanilang istraktura ay mahusay. Gayunpaman, mayroong isang unibersal na pag-uuri, na batay sa pamantayan ng periodicity ng pag-aayos ng mga elemento (mga atomo, molekula, mga kumpol ng atom) na bumubuo sa katawan. Ayon sa klasipikasyong ito, ang lahat ng solid ay nahahati sa mga sumusunod:
- crystalline;
- amorphous.
Magsimula tayo sa pangalawa. Ang isang amorphous na katawan ay walang anumang nakaayos na istraktura. Ang mga atomo o molekula sa loob nito ay random na nakaayos. Ang tampok na ito ay humahantong sa isotropy ng mga katangian ng mga amorphous na materyales, iyon ay, ang mga katangian ay hindi nakasalalay sa direksyon. Ang pinakakapansin-pansing halimbawa ng amorphous body ay salamin.
Ang mga kristal na katawan o kristal, hindi tulad ng mga amorphous na materyales, ay may pagkakaayos ng mga elementong istruktura na nakaayos sa kalawakan. Sa microscale, maaari nilang makilala ang pagitan ng mga mala-kristal na eroplano at parallel na atomic row. Dahil sa istrukturang ito, ang mga kristal ay anisotropic. Bukod dito, ang anisotropy ay nagpapakita ng sarili hindi lamang sa mga mekanikal na katangian ng mga solido, kundi pati na rin sa mga katangian ng elektrikal, electromagnetic, at iba pa. Halimbawa, ang isang tourmaline crystal ay maaari lamang magpadala ng mga vibrations ng isang light wave sa isang direksyon, na humahantong sapolarization ng electromagnetic radiation.
Ang mga halimbawa ng mga kristal ay halos lahat ng metal na materyales. Ang mga ito ay madalas na matatagpuan sa tatlong kristal na sala-sala: nakasentro sa mukha at nakasentro sa katawan na kubiko (fcc at bcc, ayon sa pagkakabanggit) at hexagonal na malapit na naka-pack (hcp). Ang isa pang halimbawa ng mga kristal ay karaniwang table s alt. Hindi tulad ng mga metal, ang mga node nito ay hindi naglalaman ng mga atom, ngunit ang mga chloride anion o sodium cation.
Elasticity ang pangunahing pag-aari ng lahat ng matitigas na materyales
Sa pamamagitan ng paglalagay ng kahit na pinakamaliit na diin sa isang solid, nagiging sanhi tayo ng pagka-deform nito. Minsan ang pagpapapangit ay maaaring napakaliit na hindi ito mapapansin. Gayunpaman, ang lahat ng solid na materyales ay nababago kapag ang isang panlabas na pagkarga ay inilapat. Kung, pagkatapos alisin ang pag-load na ito, ang pagpapapangit ay nawala, pagkatapos ay nagsasalita sila tungkol sa pagkalastiko ng materyal.
Isang matingkad na halimbawa ng phenomenon ng elasticity ay ang compression ng metal spring, na inilalarawan ng batas ni Hooke. Sa pamamagitan ng puwersa F at ang ganap na pag-igting (compression) x, ang batas na ito ay isinulat tulad ng sumusunod:
F=-kx.
Narito k ang ilang numero.
Sa kaso ng mga bulk metal, ang batas ni Hooke ay karaniwang isinusulat sa mga tuntunin ng inilapat na panlabas na stress σ, relative strain ε at Young's modulus E:
σ=Eε.
Ang modulus ni Young ay pare-parehong halaga para sa isang partikular na materyal.
Ang tampok ng elastic deformation, na nagpapaiba dito sa plastic deformation, ay reversibility. Ang mga kamag-anak na pagbabago sa laki ng mga solido sa ilalim ng nababanat na pagpapapangit ay hindi lalampas sa 1%. Kadalasan ay namamalagi sila sa rehiyon na 0.2%. Ang mga nababanat na katangian ng mga solid ay nailalarawan sa pamamagitan ng kawalan ng pag-aalis ng mga posisyon ng mga elemento ng istruktura sa kristal na sala-sala ng materyal pagkatapos ng pagwawakas ng panlabas na pagkarga.
Kung ang panlabas na mekanikal na puwersa ay sapat na malaki, pagkatapos ay pagkatapos ng pagwawakas ng pagkilos nito sa katawan, makikita mo ang natitirang pagpapapangit. Ito ay tinatawag na plastik.
Plasticity ng solids
Isinaalang-alang namin ang mga elastic na katangian ng solids. Ngayon ay lumipat tayo sa mga katangian ng kanilang kaplastikan. Alam at naobserbahan ng maraming tao na kapag natamaan mo ng martilyo ang isang pako, ito ay magiging patag. Ito ay isang halimbawa ng plastic deformation. Sa antas ng atomic, ito ay isang kumplikadong proseso. Hindi maaaring mangyari ang plastic deformation sa mga amorphous na katawan, kaya hindi nade-deform ang salamin kapag natamaan ito, ngunit gumuho.
Ang mga solidong katawan at ang kanilang kakayahang mag-deform ng plastic ay depende sa mala-kristal na istraktura. Ang itinuturing na hindi maibabalik na pagpapapangit ay nangyayari dahil sa paggalaw ng mga espesyal na atomic complex sa dami ng kristal, na tinatawag na mga dislokasyon. Ang huli ay maaaring may dalawang uri (marginal at turnilyo).
Sa lahat ng solid na materyales, ang mga metal ay may pinakamalaking plasticity, dahil nagbibigay sila ng malaking bilang ng mga slip plane na nakadirekta sa iba't ibang anggulo sa espasyo para sa mga dislokasyon. Sa kabaligtaran, ang mga materyales na may covalent o ionic na mga bono ay magiging malutong. Ang mga ito ay maaaring maiugnayhiyas o ang nabanggit na table s alt.
Brittleness at tigas
Kung patuloy kang maglalapat ng panlabas na puwersa sa anumang solidong materyal, sa kalaunan ay babagsak ito. Mayroong dalawang uri ng pagkasira:
- fragile;
- malapot.
Ang una ay nailalarawan sa pamamagitan ng hitsura at mabilis na paglaki ng mga bitak. Ang mga malutong na bali ay humantong sa mga sakuna na kahihinatnan sa produksyon, samakatuwid, sinusubukan nilang gumamit ng mga materyales at ang kanilang mga kondisyon sa pagpapatakbo kung saan ang pagkasira ng materyal ay magiging ductile. Ang huli ay nailalarawan sa pamamagitan ng mabagal na paglaki ng crack at pagsipsip ng malaking halaga ng enerhiya bago mabigo.
Para sa bawat materyal ay mayroong temperatura na nagpapakilala sa brittle-ductile transition. Sa karamihan ng mga kaso, binabago ng pagbaba ng temperatura ang bali mula ductile hanggang malutong.
Cyclic at permanenteng pagkarga
Sa engineering at physics, ang mga katangian ng solids ay nailalarawan din sa pamamagitan ng uri ng load na inilapat sa kanila. Kaya, ang isang patuloy na paikot na epekto sa materyal (halimbawa, tension-compression) ay inilarawan ng tinatawag na paglaban sa pagkapagod. Ipinapakita nito kung gaano karaming mga cycle ng paglalapat ng isang partikular na halaga ng stress ang ginagarantiyahan ng materyal nang hindi nasira.
Ang pagkapagod ng isang materyal ay pinag-aaralan din sa ilalim ng pare-parehong pagkarga, sa pamamagitan ng pagsukat ng strain rate sa paglipas ng panahon.
Katigasan ng mga materyales
Ang isa sa mga mahalagang mekanikal na katangian ng solid ay ang tigas. Tinutukoy niyaang kakayahan ng materyal na pigilan ang pagpasok ng isang dayuhang katawan dito. Sa empirikal, napakasimpleng matukoy kung alin sa dalawang katawan ang mas mahirap. Kinakailangan lamang na scratch ang isa sa kanila sa isa pa. Ang brilyante ang pinakamatigas na kristal. Magkakamot ito ng anumang iba pang materyal.
Iba pang mekanikal na katangian
Ang matigas na materyales ay may ilang mekanikal na katangian maliban sa mga nabanggit sa itaas. Inilista namin sila nang maikli:
- ductility - ang kakayahang kumuha ng iba't ibang hugis;
- ductility - ang kakayahang mag-inat sa manipis na mga sinulid;
- kakayahang labanan ang mga espesyal na uri ng deformation, gaya ng pagyuko o pag-twist.
Kaya, higit na tinutukoy ng mikroskopikong istraktura ng solid ang mga katangian nito.
