Kiinteä materiaali edustaa yhtä neljästä aggregaatiotilasta, joissa ympärillämme oleva aine voi olla. Tässä artikkelissa pohditaan, mitkä mekaaniset ominaisuudet ovat kiinteiden aineiden luontaisia, ottaen huomioon niiden sisäisen rakenteen erityispiirteet.
Mikä on kiinteä materiaali?
Ehkä kaikki voivat vastata tähän kysymykseen. Raudanpala, tietokone, ruokailuvälineet, autot, lentokoneet, kivi, lumi ovat kaikki esimerkkejä kiinteistä aineista. Fysikaalisesta näkökulmasta aineen kiinteällä aggregaatilla tarkoitetaan sen kykyä säilyttää muotonsa ja tilavuutensa erilaisissa mekaanisissa vaikutuksissa. Nämä kiinteiden aineiden mekaaniset ominaisuudet erottavat ne kaasuista, nesteistä ja plasmasta. Huomaa, että neste säilyttää myös tilavuuden (ei kokoonpuristumaton).
Yllä olevat esimerkit kiinteistä materiaaleista auttavat ymmärtämään selkeämmin, kuinka tärkeä rooli niillä on ihmiselämän ja yhteiskunnan teknologisen kehityksen kann alta.
On olemassa useita fysikaalisia ja kemiallisia tieteenaloja, jotka tutkivat aineen tilaa. Luettelemme niistä vain tärkeimmät:
- kiinteä fysiikkabody;
- muodonmuutosmekaniikka;
- materiaalitiede;
- kiinteää kemiaa.
Kovien materiaalien rakenne
Ennen kuin kiinteiden aineiden mekaanisia ominaisuuksia tarkastellaan, on syytä tutustua niiden sisäiseen rakenteeseen atomitasolla.
Kiinteiden materiaalien valikoima rakenteeltaan on suuri. Siitä huolimatta on olemassa yleinen luokitus, joka perustuu kehon muodostavien elementtien (atomit, molekyylit, atomiklusterit) järjestelyn jaksoittaisuuden kriteeriin. Tämän luokituksen mukaan kaikki kiinteät aineet on jaettu seuraaviin:
- kiteinen;
- amorfinen.
Aloitetaan toisesta. Amorfisella kappaleella ei ole järjestettyä rakennetta. Siinä olevat atomit tai molekyylit on järjestetty satunnaisesti. Tämä ominaisuus johtaa amorfisten materiaalien ominaisuuksien isotropiaan, eli ominaisuudet eivät riipu suunnasta. Silmiinpistävin esimerkki amorfisesta kappaleesta on lasi.
Kiteisissä kappaleissa tai kiteissä, toisin kuin amorfisissa materiaaleissa, on rakenteellisten elementtien järjestely avaruudessa. Mikromittakaavassa he voivat erottaa kidetasot ja rinnakkaiset atomirivit. Tämän rakenteen ansiosta kiteet ovat anisotrooppisia. Lisäksi anisotropia ei ilmene vain kiinteiden aineiden mekaanisissa ominaisuuksissa, vaan myös sähköisissä, sähkömagneettisissa ja muissa ominaisuuksissa. Esimerkiksi turmaliinikide voi välittää valoaallon värähtelyjä vain yhteen suuntaan, mikä johtaasähkömagneettisen säteilyn polarisaatio.
Esimerkkejä kiteistä ovat melkein kaikki metallimateriaalit. Ne löytyvät useimmiten kolmesta kidehilasta: kasvokeskeinen ja vartalokeskeinen kuutio (fcc ja bcc, vastaavasti) ja kuusikulmainen tiiviisti pakattu (hcp). Toinen esimerkki kiteistä on tavallinen ruokasuola. Toisin kuin metallit, sen solmut eivät sisällä atomeja, vaan kloridianioneja tai natriumkationeja.
Elastisuus on kaikkien kovien materiaalien tärkein ominaisuus
Kohdistamalla pieninkin jännitys kiinteään aineeseen saamme sen muotoutumaan. Joskus muodonmuutos voi olla niin pieni, että sitä ei voi havaita. Kaikki kiinteät materiaalit kuitenkin muotoutuvat ulkoisen kuormituksen vaikutuksesta. Jos muodonmuutos häviää tämän kuorman poistamisen jälkeen, puhutaan materiaalin elastisuudesta.
Eloisa esimerkki elastisuusilmiöstä on metallijousen puristuminen, joka kuvataan Hooken lailla. Voiman F ja absoluuttisen jännityksen (puristuksen) x avulla tämä laki kirjoitetaan seuraavasti:
F=-kx.
Tässä k on jokin luku.
Maksumetallien tapauksessa Hooken laki kirjoitetaan yleensä käytetyn ulkoisen jännityksen σ, suhteellisen jännityksen ε ja Youngin moduulin E mukaan:
σ=Eε.
Youngin moduuli on vakioarvo tietylle materiaalille.
Elastisen muodonmuutoksen ominaisuus, joka erottaa sen plastisista muodonmuutoksista, on palautuvuus. Kiinteiden aineiden koon suhteelliset muutokset elastisen muodonmuutoksen aikana eivät ylitä 1 %. Useimmiten ne ovat noin 0,2 %. Kiinteiden aineiden elastisille ominaisuuksille on tunnusomaista se, että materiaalin kidehilassa rakenneosien paikat eivät siirry ulkoisen kuormituksen päätyttyä.
Jos ulkoinen mekaaninen voima on tarpeeksi suuri, sen kehoon kohdistuvan vaikutuksen päätyttyä voit nähdä jäännösmuodonmuutoksen. Sitä kutsutaan muoviksi.
Kiintoaineiden plastisuus
Olemme pohtineet kiinteiden aineiden elastisia ominaisuuksia. Siirrytään nyt niiden plastisuuden ominaisuuksiin. Monet ihmiset tietävät ja ovat havainneet, että jos vasaralla osut naulaan, se litistyy. Tämä on esimerkki plastisesta muodonmuutoksesta. Atomitasolla se on monimutkainen prosessi. Muovista muodonmuutosta ei voi tapahtua amorfisissa kappaleissa, joten lasi ei muotoile osuessaan, vaan se romahtaa.
Kiinteät kappaleet ja niiden kyky plastisesti muotoutua riippuu kiderakenteesta. Tarkasteltu peruuttamaton muodonmuutos johtuu erityisten atomikompleksien liikkeestä kiteen tilavuudessa, joita kutsutaan dislokaatioiksi. Jälkimmäistä voi olla kahta tyyppiä (marginaali ja ruuvi).
Kaikista kiinteistä materiaaleista metalleilla on suurin plastisuus, koska ne tarjoavat suuren määrän liukutasoja, jotka on suunnattu eri kulmiin avaruudessa sijoiltaan siirtymistä varten. Sitä vastoin materiaalit, joissa on kovalenttisia tai ionisia sidoksia, ovat hauraita. Nämä voidaan syyttääjalokivet tai mainittu ruokasuola.
Hauraus ja sitkeys
Jos kohdistat jatkuvasti ulkoista voimaa mihin tahansa kiinteään materiaaliin, se ennemmin tai myöhemmin romahtaa. On olemassa kahdenlaisia tuhoja:
- herkkä;
- viskoosi.
Ensimmäiselle on ominaista halkeamien esiintyminen ja nopea kasvu. Hauraat murtumat johtavat katastrofaalisiin seurauksiin tuotannossa, joten he yrittävät käyttää materiaaleja ja niiden käyttöolosuhteita, joissa materiaalin tuhoutuminen olisi sitkeää. Jälkimmäiselle on ominaista hidas halkeamien kasvu ja suuren energiamäärän imeytyminen ennen vikaa.
Jokaisella materiaalilla on lämpötila, joka luonnehtii haurautta sitkeää siirtymää. Useimmissa tapauksissa lämpötilan lasku muuttaa murtuman sitkeästä hauraaksi.
Jaksottaiset ja pysyvät kuormat
Insinööritieteessä ja fysiikassa kiinteiden aineiden ominaisuuksia luonnehtii myös niihin kohdistuva kuormitus. Joten jatkuvaa syklistä vaikutusta materiaaliin (esimerkiksi jännitys-puristus) kuvaa ns. väsymiskestävyys. Se näyttää, kuinka monta tietyn jännitysmäärän käyttöjaksoa materiaali taatusti kestää rikkoutumatta.
Materiaalin väsymistä tutkitaan myös vakiokuormituksella mittaamalla venymänopeus ajan myötä.
Materiaalien kovuus
Yksi kiinteiden aineiden tärkeistä mekaanisista ominaisuuksista on kovuus. Hän määritteleemateriaalin kyky estää vieraan kappaleen pääsy siihen. Empiirisesti on erittäin helppoa määrittää, kumpi kahdesta kappaleesta on vaikeampi. On tarpeen vain raaputtaa yksi niistä toisella. Timantti on kovin kristalli. Se naarmuuntuu mitä tahansa muuta materiaalia.
Muut mekaaniset ominaisuudet
Kovilla materiaaleilla on joitain muita mekaanisia ominaisuuksia kuin yllä mainitut. Luettelemme ne lyhyesti:
- muovattavuus - kyky ottaa erilaisia muotoja;
- sitkeys - kyky venyä ohuiksi langoiksi;
- kyky vastustaa erityisiä muodonmuutoksia, kuten taipumista tai vääntymistä.
Siksi kiinteiden aineiden mikroskooppinen rakenne määrää suurelta osin niiden ominaisuudet.
