Čvrsti materijal predstavlja jedno od četiri agregatna stanja u kojima može biti materija oko nas. U ovom članku ćemo razmotriti koja su mehanička svojstva inherentna čvrstim tvarima, uzimajući u obzir posebnosti njihove unutrašnje strukture.
Šta je čvrst materijal?
Možda svako može odgovoriti na ovo pitanje. Komad željeza, kompjuter, pribor za jelo, automobili, avioni, kamen, snijeg su svi primjeri čvrstih tijela. Sa fizičke tačke gledišta, čvrsto agregatno stanje materije podrazumeva se kao njena sposobnost da zadrži svoj oblik i zapreminu pod različitim mehaničkim uticajima. Upravo ta mehanička svojstva čvrstih tijela razlikuju ih od plinova, tekućina i plazme. Imajte na umu da tečnost takođe zadržava zapreminu (nije nestišljiva).
Gore navedeni primjeri čvrstih materijala pomoći će da se jasnije shvati koliku važnu ulogu imaju za ljudski život i tehnološki razvoj društva.
Postoji nekoliko fizičkih i hemijskih disciplina koje proučavaju stanje materije koja se razmatra. Navodimo samo najvažnije od njih:
- čvrsta fizikatijelo;
- mehanika deformacije;
- nauka o materijalima;
- čvrsta hemija.
Struktura od tvrdih materijala
Prije razmatranja mehaničkih svojstava čvrstih tijela, treba se upoznati sa njihovom unutrašnjom strukturom na atomskom nivou.
Različitost čvrstih materijala u njihovoj strukturi je velika. Ipak, postoji univerzalna klasifikacija, koja se temelji na kriteriju periodičnosti rasporeda elemenata (atoma, molekula, atomskih klastera) koji čine tijelo. Prema ovoj klasifikaciji, sve čvrste materije se dele na sledeće:
- kristalna;
- amorfni.
Počnimo sa drugom. Amorfno tijelo nema nikakvu uređenu strukturu. Atomi ili molekuli u njemu su raspoređeni nasumično. Ova osobina dovodi do izotropije svojstava amorfnih materijala, odnosno svojstva ne ovise o smjeru. Najupečatljiviji primjer amorfnog tijela je staklo.
Kristalna tijela ili kristali, za razliku od amorfnih materijala, imaju raspored strukturnih elemenata raspoređenih u prostoru. Na mikroskali mogu razlikovati kristalne ravni i paralelne atomske redove. Zbog ove strukture, kristali su anizotropni. Štoviše, anizotropija se očituje ne samo u mehaničkim svojstvima čvrstih tijela, već iu svojstvima električnih, elektromagnetnih i drugih. Na primjer, kristal turmalina može prenositi vibracije svjetlosnog vala samo u jednom smjeru, što dovodi dopolarizacija elektromagnetnog zračenja.
Primjeri kristala su gotovo svi metalni materijali. Najčešće se nalaze u tri kristalne rešetke: kubičnoj i centriranoj na tijelo (fcc i bcc, respektivno) i heksagonalnoj zbijenoj (hcp). Drugi primjer kristala je obična kuhinjska so. Za razliku od metala, njegovi čvorovi ne sadrže atome, već kloridne anjone ili natrijeve katione.
Elastičnost je glavno svojstvo svih tvrdih materijala
Primjenom čak i najmanjeg naprezanja na čvrsto tijelo, uzrokujemo njegovu deformaciju. Ponekad deformacija može biti toliko mala da se ne može primijetiti. Međutim, svi čvrsti materijali se deformiraju kada se primjenjuje vanjsko opterećenje. Ako nakon uklanjanja ovog opterećenja deformacija nestane, onda govore o elastičnosti materijala.
Živan primjer fenomena elastičnosti je kompresija metalne opruge, koja je opisana Hookeovim zakonom. Preko sile F i apsolutne napetosti (kompresije) x, ovaj zakon se piše na sljedeći način:
F=-kx.
Ovdje k je neki broj.
U slučaju masivnih metala, Hookeov zakon se obično piše u terminima primijenjenog vanjskog naprezanja σ, relativnog naprezanja ε i Youngovog modula E:
σ=Eε.
Youngov modul je konstantna vrijednost za određeni materijal.
Odlika elastične deformacije, koja je razlikuje od plastične deformacije, je reverzibilnost. Relativne promjene veličine čvrstih tijela pod elastičnom deformacijom ne prelaze 1%. Najčešće leže u području od 0,2%. Elastična svojstva čvrstih tijela karakteriziraju odsustvo pomaka položaja strukturnih elemenata u kristalnoj rešetki materijala nakon prestanka vanjskog opterećenja.
Ako je vanjska mehanička sila dovoljno velika, onda nakon prestanka njenog djelovanja na tijelo, možete vidjeti zaostalu deformaciju. Zove se plastika.
Plastičnost čvrstih materijala
Razmatrali smo elastična svojstva čvrstih tijela. Pređimo sada na karakteristike njihove plastičnosti. Mnogi ljudi znaju i primijetili su da ako čekićem udarite ekser, on postaje spljošten. Ovo je primjer plastične deformacije. Na atomskom nivou, to je složen proces. Plastična deformacija se ne može dogoditi u amorfnim tijelima, tako da se staklo ne deformira kada se udari, već se sruši.
Čvrsta tijela i njihova sposobnost plastičnog deformiranja zavise od kristalne strukture. Razmatrana ireverzibilna deformacija nastaje zbog kretanja posebnih atomskih kompleksa u volumenu kristala, koji se nazivaju dislokacije. Potonji mogu biti dva tipa (marginalni i vijčani).
Od svih čvrstih materijala, metali imaju najveću plastičnost, jer pružaju veliki broj ravni klizanja usmjerenih pod različitim uglovima u prostoru za dislokacije. Nasuprot tome, materijali s kovalentnim ili jonskim vezama bit će krti. Ovo se može pripisatidragulji ili pomenuta kuhinjska so.
Krhkost i žilavost
Ako stalno primjenjujete vanjsku silu na bilo koji čvrsti materijal, prije ili kasnije će se on srušiti. Postoje dvije vrste uništenja:
- fragile;
- viskozan.
Prvu karakteriše pojava i brz rast pukotina. Krhki lomovi dovode do katastrofalnih posljedica u proizvodnji, pa se nastoje koristiti materijali i njihovi radni uvjeti pod kojima bi uništavanje materijala bilo duktilno. Ovo drugo karakterizira spori rast pukotine i apsorpcija velike količine energije prije loma.
Za svaki materijal postoji temperatura koja karakteriše prelaz krhko-duktilni. U većini slučajeva, smanjenje temperature mijenja lom iz duktilnog u lomljiv.
Ciklična i trajna opterećenja
U inženjerstvu i fizici, svojstva čvrstih tijela također se karakteriziraju vrstom opterećenja na njih. Dakle, konstantno ciklično djelovanje na materijal (na primjer, napetost-kompresija) opisuje se takozvanom otpornošću na zamor. Pokazuje koliko ciklusa primjene određene količine naprezanja materijal garantovano može izdržati bez loma.
Zamor materijala se takođe proučava pod stalnim opterećenjem, merenjem brzine deformacije tokom vremena.
Tvrdoća materijala
Jedno od važnih mehaničkih svojstava čvrstih materija je tvrdoća. Ona definišesposobnost materijala da spriječi unošenje stranog tijela u njega. Empirijski je vrlo jednostavno odrediti koje je od ta dva tijela tvrđe. Potrebno je samo jedan od njih zagrebati drugim. Dijamant je najtvrđi kristal. To će izgrebati bilo koji drugi materijal.
Ostala mehanička svojstva
Tvrdi materijali imaju neka mehanička svojstva koja se razlikuju od gore navedenih. Navodimo ih ukratko:
- duktilnost - sposobnost poprimanja različitih oblika;
- duktilnost - sposobnost rastezanja u tanke niti;
- sposobnost otpornosti na posebne vrste deformacija, kao što su savijanje ili uvrtanje.
Dakle, mikroskopska struktura čvrstih tijela u velikoj mjeri određuje njihova svojstva.
