Тверде тіло є одним з чотирьох станів речовини, включаючи плазму, які можуть існувати в природі. Характеризується це стан речовини тим, що воно чинить опір будь-якої зовнішньої сили, яка діє на нього з метою зміни форми і об’єму тіла. Іншими словами, механічні властивості твердих тіл є їх відмінною характеристикою.
Кристалічні й аморфні тверді тіла
Перш ніж розглядати питання про механічні властивості твердих тіл, слід сказати, що вони по своїй атомній структурі бувають двох типів:
- кристали;
- аморфний стан.
У кристалічних тілах зберігається дальній порядок, тобто, знаючи положення атомів в деякому мінімальному об’ємі речовини, можна описати становище всіх інших атомів кристала, транслюючи атоми, що знаходяться у мінімальному обсязі, на певні вектора трансляції.
В аморфних тілах не існує дальнього порядку, однак існує ближній порядок в розташуванні атомів, тобто сусідні атоми для даного атома утворюють локальну, кластерну структуру, яка однакова у всіх атомів аморфного тіла.
Відмінність у властивостях кристалів і аморфних тіл
З огляду на відмінності у внутрішньому будову кристалів і аморфних тіл багато їх властивості розрізняються, наприклад, кристалічні речовини мають конкретної температурою плавлення, у аморфних тіл ця величина не є постійною. Кристали характеризуються анізотропією, тобто залежністю різних фізичних властивостей від просторового напрямки, ж аморфні тіла є изотропными.
Прикладами кристалів є тверді оксиди, сульфати, метали, карбіди. До аморфним речовин відносяться скло, полімери, каучук.
Хімічна зв’язок в твердих тілах
Механічні властивості твердих тіл багато в чому визначаються типом хімічних зв’язків, які утворюють ці тіла. Існують такі типи зв’язку:
- Молекулярна. Природа цього зв’язку полягає в диполь-дипольних електричних взаємодій, які виникають через миттєвої поляризації атомів, що складаються з негативно зарядженої електронної оболонки і позитивно зарядженого атомного ядра. Також цей зв’язок носить назву Ван-дер-Ваальсовой. Яскравим прикладом таких кристалів є практично всі органічні сполуки, а також сірка.
- Ковалентний. Цей тип зв’язку є досить міцним, утворюється ковалентний зв’язок, коли перекриваються зовнішні електронні оболонки сусідніх атомів. Наприклад, кристал алмазу утворений виключно ковалентными зв’язками.
- Металева. Цей тип зв’язку характерний для металів і сплавів. Металевий зв’язок є досить міцною. Утворена вона за рахунок усуспільнення атомних електронів, сукупність яких називають електронним газом. Цей електронний газ розподілений по всій кристалічній решітці металу, вузли якої являють собою катіони атомів.
- Іонна. Дана зв’язок утворена за рахунок кулонівських взаємодій і є досить сильною. Яскравим прикладом кристалів з іонним зв’язком є кристал NaCl, в якій позитивні іони натрію оточені негативними іонами хлору.
Далі у статті перераховані механічні властивості твердих тіл, які багато в чому пов’язані з типом зв’язку між складовими їх частками і типом просторового розташування цих частинок.
Пружна деформація
На відміну від газів і рідин, відмітною властивістю механічних твердих тіл є їхня здатність пружно деформуватися. Під пружною деформацією розуміється здатність тіла змінювати свою форму під впливом зовнішніх сил, але потім знову відновлювати первісну форму, коли дія цих сил припиняється.
Пружна деформація описується законом Гука. Механічне властивість твердих тіл – пружність в узагальненому законі Гука має вигляд: σij = Σk,lCijklεkl, де σij – тензор напружень другого порядку, Cijkl – пружні постійні для даного речовини, εkl – тензор відносної деформації. Для лінійного та ізотропного випадку, наприклад, пружне розтягнення металевого стрижня, закон Гука набуде вигляд: σ = Eε, де E – модуль Юнга для даного матеріалу.
Закон Гука для пружини
Однією з простих формул механічних властивостей твердих тіл є закон Гука для пружини, який можна записати так: F = – kx, де F – зовнішня сила, що розтягує або стискає пружину, x – абсолютна величина стиснення або розтягування пружини від її положення рівноваги у відсутності дії зовнішньої сили, k – пружна стала, яка залежить від матеріалу, з якого виготовлена пружина, а також від її довжини.
Згідно із законом Гука, можна визначити енергію, яку запасає пружина, при зміні її довжини на величину x, ця енергія визначається за формулою: E = ½kx2.
Пластична деформація
Кожний матеріал володіє певною межею на величину відносної деформації, після якого він може або зруйнується, або почати пластично деформуватися. Під пластичною деформацією розуміється така зміна форми тіла, яке залишається після припинення дії викликала його зовнішньої сили.
Не всі тверді тіла можуть пластично деформуватися, наприклад, тіла, в яких хімічна зв’язок є ковалентного або іонної, є крихкими, тобто після перевищення межі пружного по напрузі вони руйнуються. Пластична деформація як механічне властивість твердих тіл яскраво виражена у металевих матеріалів. Метали можуть пластично деформуватися на десятки і навіть сотні відсотків, не відчуваючи при цьому механічного руйнування. Це властивість металів обумовлено особливостями їх кристалічних граток і наявністю в них особливих атомних структур – дислокацій.
Тягучість і ковкість
Вивчення механічних властивостей твердих тіл також стосується тягучості і ковкості, які є різновидами пластичної деформації.
Тягучість характеризує здатність деяких матеріалів, наприклад, металів, демонструвати стійку пластичну деформацію на сотні і тисячі відсотків без механічного руйнування. Тягучість дозволяє отримувати дріт. Не варто думати, що тягучі матеріали не можуть зруйнуватися, однак на відміну від не тягучих матеріалів їх руйнування відбувається після того, як їх деформації досягнуть більших значень.
Ковкість – важливе механічне властивість твердих тіл у фізиці, яке характеризує здатність пластично деформуватися матеріал без руйнування в результаті впливу на нього великих тисків. На відміну від тягучості, яка дозволяє отримувати тонкі нитки, хороша ковкість дозволяє отримувати тонкі пластини. Хорошою ковкістю мають золото, платина, срібло, мідь і залізо.
Крихко-в’язкого стану перехід
Крихкість і в’язкість є основними механічними властивостями твердих тіл, оскільки вони характеризують процес руйнування даного матеріалу. Механічне руйнування відбувається, коли зовнішнє напруга перевищує певні значення, або величина деформації стає істотною. При цьому матеріал руйнується через поширення тріщин в ньому, оскільки у вершині тріщини знаходяться максимальні локальні напруги.
В основі класифікації крихкого та в’язкого руйнування лежить величина поглиненої при цьому руйнуванні енергії, яка визначається як добуток діючих напружень на величину деформації тіла. Прикладами речовин, які руйнуються крихко, тобто їх енергія руйнування мала, є скло і керамічні матеріали.
Руйнування металів при певних температурах є в’язким, тобто йде з поглинанням великої кількості енергії. Слід зазначити, що температура, а також хімічний склад і будова твердого тіла є основними факторами, які визначають, чи буде руйнування крихким або в’язким.
Знання температури крихко-в’язкого переходу для даного матеріалу є важливим перед тим, як використовувати цей матеріал в будь-яких конструкціях.
Твердість тіл
Якщо говорити коротко про механічні властивості твердих тіл, то не можна не згадати твердість, яка характеризує здатність тіла протидіяти проникненню в нього і абразивного зносу. Наприклад, дерево можна легко подряпати, це означає, що воно не має велику твердість. Навпаки, будь-який метал дуже важко подряпати, тобто значення твердості для нього велике.
Саме використовуючи метод “дряпання” одного тіла іншим, можна визначити відносну твердість. Тверді речовини, які утворені ковалентными зв’язками, володіють великими значеннями твердості, а самим твердим природним матеріалом є алмаз.
Сучасні способи вимірювання твердості
Для вивчення механічних властивостей твердих тіл у плані твердості використовують різні сучасні установки, принцип дії яких полягає у вдавлюванні індентора в матеріал і подальшому вимірюванні глибини його впровадження під даною навантаженням. У промислових масштабах застосовуються наступні методи вимірювання твердості:
- Твердість за Брінеллем. В якості матеріалу індентора використовується карбід вольфраму або загартована сталь. Сам індентор являє кульку. Цей метод є легким при його реалізації, проте в ряді випадків його точності недостатньо, наприклад, при вимірюванні твердих матеріалів або пластин товщиною менше 6 мм.
- Твердість по Роквеллу. Індентор в даному методі вимірювання твердості являє собою алмазний конус невеликого розміру. Цей метод є досить точним і придатний для вимірювання зазначеної фізичної характеристики будь-яких матеріалів.
- Твердість по Віккерсу. В якості індентора використовується алмазна піраміда. Даний метод є поліпшеним варіантом вимірювання твердості за Брінеллем, оскільки дозволяє вимірювати твердість пластин, товщина яких перевищує 2 мм.
