A szilárd anyag a négy halmozódási állapot egyike, amelyben a minket körülvevő anyag lehet. Ebben a cikkben megvizsgáljuk, hogy milyen mechanikai tulajdonságok rejlenek a szilárd anyagokban, figyelembe véve belső szerkezetük sajátosságait.
Mi az a szilárd anyag?
Talán mindenki tud válaszolni erre a kérdésre. Egy vasdarab, egy számítógép, evőeszközök, autók, repülők, kő, hó mind a szilárd anyagok példái. Fizikai szempontból az anyag szilárd halmazállapota alatt azt értjük, hogy képes megőrizni alakját és térfogatát különféle mechanikai hatások hatására. A szilárd anyagokat ezek a mechanikai tulajdonságai különböztetik meg a gázoktól, folyadékoktól és plazmáktól. Vegye figyelembe, hogy a folyadék is megtartja térfogatát (összenyomhatatlan).
A szilárd anyagokra vonatkozó fenti példák segítenek jobban megérteni, milyen fontos szerepet játszanak az emberi életben és a társadalom technológiai fejlődésében.
Számos fizikai és kémiai tudományág vizsgálja az anyag állapotát. Ezek közül csak a legfontosabbakat soroljuk fel:
- szilárd fizikabody;
- deformációs mechanika;
- anyagtudomány;
- szilárd kémia.
Kemény anyagok szerkezete
Mielőtt a szilárd anyagok mechanikai tulajdonságait megvizsgálnánk, meg kell ismerkednünk azok belső szerkezetével atomi szinten.
A szilárd anyagok sokfélesége a szerkezetükben nagyszerű. Ennek ellenére létezik egy univerzális osztályozás, amely a testet alkotó elemek (atomok, molekulák, atomcsoportok) elrendeződésének periodicitásán alapul. Ennek az osztályozásnak megfelelően az összes szilárd test a következőkre oszlik:
- kristályos;
- amorf.
Kezdjük a másodikkal. Az amorf testnek nincs rendezett szerkezete. A benne lévő atomok vagy molekulák véletlenszerűen vannak elrendezve. Ez a tulajdonság az amorf anyagok tulajdonságainak izotrópiájához vezet, vagyis a tulajdonságok nem függnek az iránytól. Az amorf test legszembetűnőbb példája az üveg.
A kristályos testek vagy kristályok, az amorf anyagokkal ellentétben, a szerkezeti elemek térben rendezett elrendezésével rendelkeznek. Mikroskálán meg tudják különböztetni a kristályos síkokat és a párhuzamos atomsorokat. Ennek a szerkezetnek köszönhetően a kristályok anizotrópok. Ezenkívül az anizotrópia nemcsak a szilárd anyagok mechanikai tulajdonságaiban nyilvánul meg, hanem az elektromos, elektromágneses és mások tulajdonságaiban is. Például egy turmalin kristály csak egy irányba tudja továbbítani a fényhullám rezgéseit, ami ahhoz vezetaz elektromágneses sugárzás polarizációja.
A kristályokra példa szinte minden fémes anyag. Leggyakrabban három kristályrácsban találhatók: arc- és testközpontú köbös (fcc és bcc) és hatszögletű, szorosan tömörített (hcp). A kristályok másik példája a konyhasó. A fémekkel ellentétben csomópontjai nem atomokat, hanem klorid-anionokat vagy nátrium-kationokat tartalmaznak.
A rugalmasság minden kemény anyag fő tulajdonsága
Ha a legkisebb feszültséget is kifejtjük a szilárd testen, deformálódni fogunk. Néha a deformáció olyan kicsi lehet, hogy nem lehet észrevenni. Azonban minden szilárd anyag deformálódik külső terhelés hatására. Ha a terhelés eltávolítása után az alakváltozás megszűnik, akkor az anyag rugalmasságáról beszélnek.
A rugalmasság jelenségének szemléletes példája a fémrugó összenyomása, amelyet a Hooke-törvény ír le. Az F erő és az abszolút feszültség (összenyomás) x révén ez a törvény a következőképpen íródik le:
F=-kx.
Itt k egy szám.
Az ömlesztett fémek esetében a Hooke-törvényt általában az alkalmazott külső feszültség σ, ε relatív alakváltozás és az E Young-modulus alapján írják le:
σ=Eε.
Young modulusa egy adott anyag állandó értéke.
A rugalmas deformáció jellemzője, amely megkülönbözteti a képlékeny alakváltozástól, a visszafordíthatóság. A rugalmas alakváltozás hatására bekövetkező szilárd testek méretének relatív változása nem haladja meg az 1%-ot. Leggyakrabban 0,2% körüliek. A szilárd anyagok rugalmas tulajdonságait az jellemzi, hogy a külső terhelés megszűnése után a szerkezeti elemek helyzete nem mozdul el az anyag kristályrácsában.
Ha a külső mechanikai erő elég nagy, akkor a testre gyakorolt hatásának megszűnése után látható a maradó alakváltozás. Műanyagnak hívják.
Szilárd anyagok plaszticitása
Figyelembe vettük a szilárd anyagok rugalmas tulajdonságait. Most térjünk át plaszticitásuk jellemzőire. Sokan tudják és megfigyelték, hogy ha kalapáccsal beleütünk egy szögbe, az ellapul. Ez egy példa a képlékeny deformációra. Atomi szinten ez egy összetett folyamat. Az amorf testekben képlékeny alakváltozás nem fordulhat elő, ezért az üveg nem deformálódik ütközéskor, hanem összeesik.
A szilárd testek és képlékeny alakváltozási képességük a kristályszerkezettől függ. A visszafordíthatatlan deformáció a kristály térfogatában speciális atomi komplexek mozgása miatt következik be, amelyeket diszlokációknak nevezünk. Ez utóbbi kétféle lehet (szélső és csavaros).
Az összes szilárd anyag közül a fémeknek van a legnagyobb plaszticitásuk, mivel nagyszámú, a térben különböző szögben irányított csúszási síkot biztosítanak a diszlokációkhoz. Ezzel szemben a kovalens vagy ionos kötésekkel rendelkező anyagok törékenyek lesznek. Ezek tulajdoníthatókdrágaköveket vagy az említett konyhasót.
Rendesség és szívósság
Ha állandóan külső erőt fejt ki bármilyen szilárd anyagra, akkor az előbb-utóbb összeomlik. A megsemmisítésnek két típusa van:
- törékeny;
- viszkózus.
Az elsőt a repedések megjelenése és gyors növekedése jellemzi. A rideg törések katasztrofális következményekkel járnak a gyártásban, ezért igyekeznek olyan anyagokat és azok működési feltételeit alkalmazni, amelyek mellett az anyag megsemmisülése képlékeny lenne. Ez utóbbit a repedések lassú növekedése és a meghibásodás előtti nagy mennyiségű energia elnyelése jellemzi.
Minden anyaghoz van egy hőmérséklet, amely a rideg-képlékeny átmenetet jellemzi. A legtöbb esetben a hőmérséklet csökkenése a törést képlékenyről rideggé változtatja.
Ciklikus és állandó terhelések
A mérnöki tudományban és a fizikában a szilárd testek tulajdonságait a rájuk ható terhelés típusa is jellemzi. Tehát az anyagra gyakorolt állandó ciklikus hatást (például feszítést-kompressziót) az úgynevezett fáradási ellenállás ír le. Megmutatja, hogy egy adott feszültség hány alkalmazási ciklusát képes garantáltan elviselni az anyag törés nélkül.
Az anyag kifáradását állandó terhelés mellett is vizsgálják az alakváltozási sebesség időbeli mérésével.
Anyagok keménysége
A szilárd anyagok egyik fontos mechanikai tulajdonsága a keménység. Ő határozza megaz anyag azon képessége, hogy megakadályozza idegen test bejutását. Empirikusan nagyon egyszerű meghatározni, hogy a két test közül melyik a nehezebb. Csak az egyiket kell megkarcolni a másikkal. A gyémánt a legkeményebb kristály. Minden más anyagot megkarcol.
Egyéb mechanikai tulajdonságok
A kemény anyagoknak van néhány mechanikai tulajdonsága a fent említetteken kívül. Röviden felsoroljuk őket:
- hajlékonyság – különféle formák felvételének képessége;
- hajlékonyság – vékony szálakká nyúlás képessége;
- különleges alakváltozásoknak, például hajlításnak vagy csavarásnak ellenálló képesség.
Így a szilárd anyagok mikroszkopikus szerkezete nagymértékben meghatározza tulajdonságaikat.
