Պինդ նյութը ներկայացնում է ագրեգացման չորս վիճակներից մեկը, որտեղ կարող է լինել մեզ շրջապատող նյութը: Այս հոդվածում մենք կքննարկենք, թե ինչ մեխանիկական հատկություններ են բնորոշ պինդ մարմիններին՝ հաշվի առնելով դրանց ներքին կառուցվածքի առանձնահատկությունները։
Ի՞նչ է ամուր նյութը:
Հավանաբար բոլորը կարող են պատասխանել այս հարցին: Երկաթի կտորը, համակարգիչը, պատառաքաղը, մեքենաները, ինքնաթիռները, քարը, ձյունը պինդ մարմինների օրինակներ են: Ֆիզիկական տեսանկյունից նյութի պինդ ագրեգատային վիճակը հասկացվում է որպես տարբեր մեխանիկական ազդեցությունների ներքո իր ձևն ու ծավալը պահպանելու նրա կարողությունը։ Պինդ մարմինների այս մեխանիկական հատկություններն են, որ դրանք տարբերում են գազերից, հեղուկներից և պլազմայից։ Նկատի ունեցեք, որ հեղուկը նույնպես պահպանում է ծավալը (անսեղմելի է):
Պինդ նյութերի վերը նշված օրինակները կօգնեն ավելի հստակ հասկանալ, թե ինչ կարևոր դեր են նրանք խաղում մարդու կյանքի և հասարակության տեխնոլոգիական զարգացման համար:
Կան մի քանի ֆիզիկական և քիմիական առարկաներ, որոնք ուսումնասիրում են դիտարկվող նյութի վիճակը: Մենք թվարկում ենք դրանցից միայն ամենակարևորները.
- պինդ ֆիզիկամարմին;
- դեֆորմացիայի մեխանիկա;
- նյութերագիտություն;
- պինդ քիմիա.
Կարծր նյութերի կառուցվածք
Պինդ մարմինների մեխանիկական հատկությունները դիտարկելուց առաջ պետք է ատոմային մակարդակում ծանոթանալ դրանց ներքին կառուցվածքին։
Պինդ նյութերի բազմազանությունը դրանց կառուցվածքում մեծ է։ Այնուամենայնիվ, գոյություն ունի ունիվերսալ դասակարգում, որը հիմնված է մարմինը կազմող տարրերի (ատոմներ, մոլեկուլներ, ատոմային կլաստերներ) դասավորության պարբերականության չափանիշի վրա։ Համաձայն այս դասակարգման՝ բոլոր պինդ մարմինները բաժանվում են հետևյալի՝.
- բյուրեղային;
- ամորֆ.
Սկսենք երկրորդից։ Ամորֆ մարմինը որևէ կարգավորված կառուցվածք չունի։ Դրանում ատոմները կամ մոլեկուլները դասավորված են պատահականորեն։ Այս հատկանիշը հանգեցնում է ամորֆ նյութերի հատկությունների իզոտրոպիայի, այսինքն՝ հատկությունները կախված չեն ուղղությունից։ Ամորֆ մարմնի ամենավառ օրինակը ապակին է։
Բյուրեղային մարմինները կամ բյուրեղները, ի տարբերություն ամորֆ նյութերի, ունեն տարածության մեջ դասավորված կառուցվածքային տարրերի դասավորվածություն: Միկրոմաշտաբով նրանք կարող են տարբերել բյուրեղային հարթությունները զուգահեռ ատոմային շարքերից։ Այս կառուցվածքի շնորհիվ բյուրեղները անիզոտրոպ են։ Ավելին, անիզոտրոպիան դրսևորվում է ոչ միայն պինդ մարմինների մեխանիկական հատկություններով, այլև էլեկտրական, էլեկտրամագնիսական և այլ հատկություններով։ Օրինակ, տուրմալինի բյուրեղը կարող է փոխանցել լույսի ալիքի տատանումները միայն մեկ ուղղությամբ, ինչը հանգեցնում է.էլեկտրամագնիսական ճառագայթման բևեռացում.
Բյուրեղների օրինակները գրեթե բոլոր մետաղական նյութերն են: Դրանք առավել հաճախ հայտնաբերվում են երեք բյուրեղյա վանդակներում՝ դեմքի կենտրոնացված և մարմնի կենտրոնացված խորանարդ (համապատասխանաբար, fcc և bcc) և վեցանկյուն փակ փաթեթավորմամբ (hcp): Բյուրեղների մեկ այլ օրինակ է սովորական կերակրի աղը: Ի տարբերություն մետաղների, նրա հանգույցները պարունակում են ոչ թե ատոմներ, այլ քլորիդ անիոններ կամ նատրիումի կատիոններ։
Առաձգականությունը բոլոր կոշտ նյութերի հիմնական հատկությունն է
Կիրառելով նույնիսկ ամենափոքր լարվածությունը պինդ նյութի վրա՝ մենք դրա դեֆորմացման պատճառ ենք դառնում: Երբեմն դեֆորմացիան կարող է այնքան փոքր լինել, որ այն չի կարելի նկատել: Այնուամենայնիվ, բոլոր պինդ նյութերը դեֆորմացվում են, երբ կիրառվում է արտաքին բեռ: Եթե այս բեռը հանելուց հետո դեֆորմացիան վերանում է, ապա խոսում են նյութի առաձգականության մասին։
Առաձգականության երեւույթի վառ օրինակ է մետաղյա զսպանակի սեղմումը, որը նկարագրված է Հուկի օրենքով։ F ուժի և x բացարձակ լարման (սեղմման) միջոցով այս օրենքը գրվում է հետևյալ կերպ՝.
F=-kx.
Ահա k-ն որոշ թիվ է:
Զանգվածային մետաղների դեպքում Հուկի օրենքը սովորաբար գրվում է կիրառվող արտաքին լարվածության σ, հարաբերական լարման ε և Յանգի մոդուլի E:
ս=Eε.
Յանգի մոդուլը հաստատուն արժեք է որոշակի նյութի համար:
Առաձգական դեֆորմացիայի առանձնահատկությունը, որն այն տարբերում է պլաստիկ դեֆորմացիայից, հետադարձելիությունն է։Առաձգական դեֆորմացիայի տակ պինդ մարմինների չափերի հարաբերական փոփոխությունները չեն գերազանցում 1%-ը: Ամենից հաճախ դրանք գտնվում են 0,2% տարածաշրջանում: Պինդ մարմինների առաձգական հատկությունները բնութագրվում են արտաքին բեռի ավարտից հետո նյութի բյուրեղային ցանցում կառուցվածքային տարրերի դիրքերի տեղաշարժի բացակայությամբ։
Եթե արտաքին մեխանիկական ուժը բավականաչափ մեծ է, ապա մարմնի վրա դրա գործողության դադարեցումից հետո կարող եք տեսնել մնացորդային դեֆորմացիան։ Այն կոչվում է պլաստիկ։
Պինդ մարմինների պլաստիկություն
Մենք դիտարկել ենք պինդ մարմինների առաձգական հատկությունները: Այժմ անցնենք դրանց պլաստիկության բնութագրերին։ Շատերը գիտեն և նկատել են, որ մեխին մուրճով հարվածելու դեպքում այն տափակվում է։ Սա պլաստիկ դեֆորմացիայի օրինակ է: Ատոմային մակարդակում դա բարդ գործընթաց է։ Պլաստիկ դեֆորմացիան չի կարող առաջանալ ամորֆ մարմիններում, ուստի ապակին հարվածելիս չի դեֆորմացվում, այլ փլվում է։
Պինդ մարմինները և դրանց պլաստիկ ձևափոխվելու ունակությունը կախված է բյուրեղային կառուցվածքից: Համարվող անդառնալի դեֆորմացիան առաջանում է բյուրեղի ծավալում հատուկ ատոմային կոմպլեքսների շարժման շնորհիվ, որոնք կոչվում են դիսլոկացիա։ Վերջինս կարող է լինել երկու տեսակի (լուսանցքային և պտուտակային):
Բոլոր պինդ նյութերից մետաղներն ունեն ամենամեծ պլաստիկությունը, քանի որ նրանք ապահովում են մեծ թվով սահող հարթություններ, որոնք ուղղված են տարածության տարբեր անկյուններից տեղահանումների համար: Ընդհակառակը, կովալենտային կամ իոնային կապերով նյութերը փխրուն կլինեն: Սրանք կարելի է վերագրելԱկնեղեն կամ նշված սեղանի աղ։
Փխրունություն և ամրություն
Եթե դուք անընդհատ արտաքին ուժ եք գործադրում ցանկացած պինդ նյութի վրա, ապա վաղ թե ուշ այն կփլուզվի: Գոյություն ունի ոչնչացման երկու տեսակ՝
- փխրուն;
- մածուցիկ.
Առաջինը բնութագրվում է ճաքերի առաջացմամբ և արագ աճով։ Փխրուն կոտրվածքները հանգեցնում են արտադրության աղետալի հետևանքների, հետևաբար, նրանք փորձում են օգտագործել նյութեր և դրանց շահագործման պայմանները, որոնց դեպքում նյութի ոչնչացումը դյուրին կլիներ: Վերջինս բնութագրվում է ճաքերի դանդաղ աճով և մեծ քանակությամբ էներգիայի կլանմամբ մինչև ձախողումը։
Յուրաքանչյուր նյութի համար կա ջերմաստիճան, որը բնութագրում է փխրուն-ճկուն անցումը: Շատ դեպքերում, ջերմաստիճանի նվազումը փոխում է կոտրվածքը ճկունից դեպի փխրուն:
Ցիկլային և մշտական բեռներ
Ճարտարագիտության և ֆիզիկայի մեջ պինդ մարմինների հատկությունները բնութագրվում են նաև դրանց վրա կիրառվող բեռի տեսակով։ Այսպիսով, նյութի վրա մշտական ցիկլային ազդեցությունը (օրինակ, լարվածություն-սեղմում) նկարագրվում է այսպես կոչված հոգնածության դիմադրությամբ: Այն ցույց է տալիս, թե որոշակի քանակությամբ սթրեսի կիրառման քանի ցիկլեր է երաշխավորված նյութը դիմակայելու առանց կոտրվելու:
Նյութի հոգնածությունը նույնպես ուսումնասիրվում է մշտական ծանրաբեռնվածության ներքո՝ ժամանակի ընթացքում լարման արագությունը չափելով:
Նյութերի կարծրություն
Պինդ մարմինների կարևոր մեխանիկական հատկություններից մեկը կարծրությունն է: Նա սահմանում էնյութի կարողությունը կանխելու օտար մարմնի ներմուծումը դրա մեջ. Էմպիրիկորեն շատ պարզ է որոշել, թե երկու մարմիններից որն է ավելի կոշտ: Միայն անհրաժեշտ է դրանցից մեկը մյուսով քորել։ Ադամանդը ամենադժվար բյուրեղն է: Այն կքերծի ցանկացած այլ նյութ։
Այլ մեխանիկական հատկություններ
Կոշտ նյութերն ունեն որոշ մեխանիկական հատկություններ, բացի վերը նշվածներից: Մենք դրանք համառոտ թվարկում ենք՝
- ճկունություն - տարբեր ձևեր ընդունելու ունակություն;
- ճկունություն - բարակ թելերի մեջ ձգվելու ունակություն;
- կարողություն դիմակայելու հատուկ տեսակի դեֆորմացիաներին, ինչպիսիք են ճկումը կամ ոլորումը:
Այսպիսով, պինդ մարմինների մանրադիտակային կառուցվածքը մեծապես որոշում է դրանց հատկությունները:
