Kieta medžiaga yra viena iš keturių agregacijos būsenų, kuriose gali būti mus supančios medžiagos. Šiame straipsnyje mes apsvarstysime, kokios mechaninės savybės būdingos kietosioms medžiagoms, atsižvelgiant į jų vidinės struktūros ypatumus.
Kas yra kieta medžiaga?
Turbūt kiekvienas gali atsakyti į šį klausimą. Geležies gabalas, kompiuteris, stalo įrankiai, automobiliai, lėktuvai, akmuo, sniegas yra kietųjų medžiagų pavyzdžiai. Fiziniu požiūriu kietoji agregatinė medžiagos būsena suprantama kaip jos gebėjimas išlaikyti formą ir tūrį veikiant įvairiems mechaniniams poveikiams. Būtent šios kietųjų medžiagų mechaninės savybės išskiria jas nuo dujų, skysčių ir plazmos. Atminkite, kad skystis taip pat išlaiko tūrį (nesuspaudžiamas).
Aukščiau pateikti kietųjų medžiagų pavyzdžiai padės aiškiau suprasti, kokį svarbų vaidmenį jos vaidina žmogaus gyvenimui ir visuomenės technologiniam vystymuisi.
Yra keletas fizinių ir cheminių disciplinų, kurios tiria medžiagos būklę. Mes išvardijame tik svarbiausius iš jų:
- kieta fizikakorpusas;
- deformacijos mechanika;
- medžiagų mokslas;
- kieta chemija.
Kietų medžiagų konstrukcija
Prieš svarstant kietųjų medžiagų mechanines savybes, reikėtų susipažinti su jų vidine struktūra atominiu lygmeniu.
Kietų medžiagų įvairovė jų struktūroje yra didžiulė. Nepaisant to, yra universali klasifikacija, pagrįsta kūną sudarančių elementų (atomų, molekulių, atomų grupių) išdėstymo periodiškumo kriterijumi. Pagal šią klasifikaciją visos kietosios medžiagos skirstomos į:
- kristalinis;
- amorfinis.
Pradėkime nuo antrojo. Amorfinis kūnas neturi jokios tvarkingos struktūros. Atomai ar molekulės jame išsidėstę atsitiktinai. Ši savybė lemia amorfinių medžiagų savybių izotropiją, tai yra, savybės nepriklauso nuo krypties. Ryškiausias amorfinio kūno pavyzdys yra stiklas.
Kristaliniai kūnai arba kristalai, skirtingai nei amorfinės medžiagos, turi erdvėje išdėstytų struktūrinių elementų išdėstymą. Mikroskalėje jie gali atskirti kristalines plokštumas ir lygiagrečias atomines eilutes. Dėl šios struktūros kristalai yra anizotropiniai. Be to, anizotropija pasireiškia ne tik mechaninėmis kietųjų kūnų savybėmis, bet ir elektrinių, elektromagnetinių ir kt. Pavyzdžiui, turmalino kristalas gali perduoti šviesos bangos virpesius tik viena kryptimi, o tai veda prieelektromagnetinės spinduliuotės poliarizacija.
Kristalų pavyzdžiai yra beveik visos metalinės medžiagos. Dažniausiai jie randami trijose kristalinėse gardelėse: į veidą ir į kūną nukreiptose kubinėse (atitinkamai fcc ir bcc) ir šešiakampėse uždarose (hcp). Kitas kristalų pavyzdys yra valgomoji druska. Skirtingai nuo metalų, jo mazguose yra ne atomų, o chlorido anijonų arba natrio katijonų.
Elastingumas yra pagrindinė visų kietų medžiagų savybė
Taikydami net mažiausią įtempį kietajai medžiagai, mes ją deformuojame. Kartais deformacija gali būti tokia maža, kad jos negalima pastebėti. Tačiau visos kietos medžiagos deformuojasi veikiant išorinei apkrovai. Jei, pašalinus šią apkrovą, deformacija išnyksta, tada jie kalba apie medžiagos elastingumą.
Ryškus elastingumo reiškinio pavyzdys yra metalinės spyruoklės suspaudimas, aprašytas Huko dėsniu. Per jėgą F ir absoliučią įtempimą (suspaudimą) x šis dėsnis parašytas taip:
F=-kx.
Čia k yra tam tikras skaičius.
Būrių metalų atveju Huko dėsnis paprastai rašomas pagal taikomą išorinį įtempį σ, santykinę deformaciją ε ir Youngo modulį E:
σ=Eε.
Youngo modulis yra pastovi tam tikros medžiagos vertė.
Elastinės deformacijos ypatybė, išskirianti ją nuo plastinės deformacijos, yra grįžtamumas. Santykiniai kietųjų kūnų dydžio pokyčiai esant tampriajai deformacijai neviršija 1%. Dažniausiai jie yra apie 0,2%. Kietųjų medžiagų elastingumo savybėms būdinga tai, kad pasibaigus išorinei apkrovai konstrukcinių elementų padėtis nepasislenka medžiagos kristalinėje gardelėje.
Jei išorinė mechaninė jėga yra pakankamai didelė, tada pasibaigus jos poveikiui kūnui galite pamatyti liekamąją deformaciją. Jis vadinamas plastiku.
Kietųjų medžiagų plastiškumas
Atsižvelgėme į kietųjų medžiagų elastingumo savybes. Dabar pereikime prie jų plastiškumo savybių. Daugelis žmonių žino ir yra pastebėję, kad plaktuku pataikius į vinį, ji susiploja. Tai plastinės deformacijos pavyzdys. Atominiu lygmeniu tai sudėtingas procesas. Amorfiniuose kūnuose plastinės deformacijos įvykti negali, todėl atsitrenkus stiklas nesideformuoja, o griūva.
Kietieji kūnai ir jų gebėjimas plastiškai deformuotis priklauso nuo kristalinės struktūros. Nagrinėjama negrįžtama deformacija atsiranda dėl specialių atominių kompleksų judėjimo kristalo tūryje, kurie vadinami dislokacijomis. Pastarasis gali būti dviejų tipų (ribinis ir varžtinis).
Iš visų kietų medžiagų metalai pasižymi didžiausiu plastiškumu, nes jie suteikia daug slydimo plokštumų, nukreiptų skirtingais kampais erdvėje išnirimams. Ir atvirkščiai, medžiagos su kovalentinėmis arba joninėmis jungtimis bus trapios. Tai galima priskirtibrangakmeniai arba minėta valgomoji druska.
Trupumas ir tvirtumas
Jei nuolat taikysite išorinę jėgą bet kuriai kietai medžiagai, anksčiau ar vėliau ji subyrės. Yra du naikinimo tipai:
- trapi;
- klampus.
Pirmajam būdingas įtrūkimų atsiradimas ir greitas augimas. Trapūs lūžiai sukelia katastrofiškas pasekmes gamyboje, todėl stengiamasi naudoti tokias medžiagas ir jų eksploatavimo sąlygas, kad medžiagos sunaikinimas būtų plastiškas. Pastarajam būdingas lėtas įtrūkimų augimas ir didelio energijos kiekio įsisavinimas prieš gedimą.
Kiekvienai medžiagai yra nustatyta temperatūra, kuri apibūdina trapumo ir plastiškumo perėjimą. Daugeliu atvejų, sumažėjus temperatūrai, lūžis tampa plastiškas į trapus.
Ciklinės ir nuolatinės apkrovos
Inžinerijoje ir fizikoje kietųjų kūnų savybės taip pat apibūdinamos pagal joms taikomą apkrovą. Taigi, nuolatinis ciklinis poveikis medžiagai (pavyzdžiui, įtempimas-suspaudimas) apibūdinamas vadinamuoju atsparumu nuovargiui. Tai rodo, kiek tam tikro įtempimo ciklų medžiaga garantuotai atlaikys nesulūžusi.
Medžiagos nuovargis taip pat tiriamas esant pastoviai apkrovai, matuojant deformacijos greitį laikui bėgant.
Medžiagų kietumas
Viena iš svarbių kietųjų medžiagų mechaninių savybių yra kietumas. Ji apibrėžiamedžiagos gebėjimas neleisti į ją patekti svetimkūniui. Empiriškai labai paprasta nustatyti, kuris iš dviejų kūnų yra sunkesnis. Tereikia vieną iš jų subraižyti kitu. Deimantas yra kiečiausias kristalas. Jis subraižys bet kokią kitą medžiagą.
Kitos mechaninės savybės
Kietos medžiagos turi kai kurių mechaninių savybių, kurios skiriasi nuo pirmiau nurodytų savybių. Trumpai juos išvardijame:
- plastiškumas – galimybė įgauti įvairias formas;
- plastiškumas – galimybė ištempti į plonus siūlus;
- gebėjimas atsispirti specialioms deformacijoms, tokioms kaip lenkimas ar sukimas.
Taigi, mikroskopinė kietųjų kūnų struktūra daugiausia lemia jų savybes.
