مواد جامد یکی از چهار حالت تجمع را نشان می دهد که ماده اطراف ما می تواند در آن باشد. در این مقاله، خواص مکانیکی ذاتی جامدات را با در نظر گرفتن ویژگی‌های ساختار داخلی آنها بررسی خواهیم کرد.
مواد جامد چیست؟
شاید همه بتوانند به این سوال پاسخ دهند. یک تکه آهن، یک کامپیوتر، کارد و چنگال، ماشین، هواپیما، سنگ، برف همه نمونه هایی از جامدات هستند. از نقطه نظر فیزیکی، حالت جامد جامد ماده به عنوان توانایی آن در حفظ شکل و حجم خود تحت تأثیرات مکانیکی مختلف درک می شود. این خواص مکانیکی جامدات است که آنها را از گازها، مایعات و پلاسما متمایز می کند. توجه داشته باشید که مایع همچنین حجم خود را حفظ می کند (تراکم ناپذیر است).
نمونه‌های بالا از مواد جامد به درک واضح‌تر نقش مهمی که برای زندگی انسان و توسعه فناوری جامعه ایفا می‌کنند کمک می‌کند.
چندین رشته فیزیکی و شیمیایی وجود دارند که وضعیت ماده مورد بررسی را مطالعه می کنند. ما فقط مهمترین آنها را فهرست می کنیم:
- فیزیک جامداتبدن؛
- مکانیک تغییر شکل؛
- علوم مواد؛
- شیمی جامد.
ساختار مواد سخت
قبل از بررسی خواص مکانیکی جامدات، باید با ساختار داخلی آنها در سطح اتمی آشنا شد.
تنوع مواد جامد در ساختار آنها عالی است. با این وجود، یک طبقه بندی جهانی وجود دارد که بر اساس معیار تناوب آرایش عناصر (اتم ها، مولکول ها، خوشه های اتمی) تشکیل دهنده بدن است. بر اساس این طبقه بندی، تمام جامدات به موارد زیر تقسیم می شوند:
- کریستالی;
- بی شکل.
بیایید با دومی شروع کنیم. یک جسم بی شکل ساختار منظمی ندارد. اتم ها یا مولکول های موجود در آن به طور تصادفی مرتب شده اند. این ویژگی منجر به همسانگردی خواص مواد بی شکل می شود، یعنی خواص به جهت بستگی ندارد. بارزترین نمونه بدن بی شکل شیشه است.
اجسام یا کریستال های کریستالی، بر خلاف مواد بی شکل، دارای آرایشی از عناصر ساختاری هستند که در فضا مرتب شده اند. در مقیاس میکرو، آنها می توانند بین صفحات کریستالی و ردیف های اتمی موازی تمایز قائل شوند. به دلیل این ساختار، کریستال ها ناهمسانگرد هستند. علاوه بر این، ناهمسانگردی نه تنها در خواص مکانیکی جامدات، بلکه در خواص الکتریکی، الکترومغناطیسی و غیره نیز ظاهر می شود. به عنوان مثال، یک کریستال تورمالین تنها می تواند ارتعاشات یک موج نور را در یک جهت منتقل کند، که منجر بهقطبش تابش الکترومغناطیسی.
نمونه‌هایی از کریستال‌ها تقریباً همه مواد فلزی هستند. آنها اغلب در سه شبکه کریستالی یافت می شوند: مکعبی وسط و بدنه (به ترتیب fcc و bcc) و بسته بندی بسته شش ضلعی (hcp). نمونه دیگری از کریستال ها نمک خوراکی معمولی است. برخلاف فلزات، گره‌های آن حاوی اتم نیستند، بلکه آنیون‌های کلرید یا کاتیون‌های سدیم دارند.
کشسانی ویژگی اصلی همه مواد سخت است
با اعمال حتی کوچکترین تنش به یک جامد، باعث تغییر شکل آن می شویم. گاهی اوقات تغییر شکل می تواند آنقدر کوچک باشد که نمی توان متوجه آن شد. با این حال، تمام مواد جامد با اعمال بار خارجی تغییر شکل می دهند. اگر پس از برداشتن این بار، تغییر شکل ناپدید شود، آنگاه از خاصیت ارتجاعی ماده صحبت می کنند.
یک مثال واضح از پدیده ارتجاعی، فشردگی یک فنر فلزی است که توسط قانون هوک توضیح داده شده است. از طریق نیروی F و کشش مطلق (فشردگی) x، این قانون به صورت زیر نوشته می شود:
F=-kx.
اینجا k مقداری است.
در مورد فلزات حجیم، قانون هوک معمولاً بر حسب تنش خارجی اعمال شده σ، کرنش نسبی ε و مدول یانگ E: نوشته می شود.
σ=Eε.
مدول یانگ یک مقدار ثابت برای یک ماده خاص است.
ویژگی تغییر شکل الاستیک که آن را از تغییر شکل پلاستیک متمایز می کند، برگشت پذیری است.تغییرات نسبی در اندازه جامدات تحت تغییر شکل الاستیک از 1٪ تجاوز نمی کند. اغلب آنها در منطقه 0.2٪ قرار دارند. خصوصیات الاستیک جامدات با عدم جابجایی موقعیت عناصر ساختاری در شبکه کریستالی ماده پس از پایان بار خارجی مشخص می شود.
اگر نیروی مکانیکی خارجی به اندازه کافی بزرگ باشد، پس از پایان اثر آن بر روی بدن، می توانید تغییر شکل باقیمانده را مشاهده کنید. به آن پلاستیک می گویند.
پلاستیسیته مواد جامد
ما خواص کشسانی جامدات را در نظر گرفته ایم. حال به ویژگی های پلاستیسیته آنها می پردازیم. بسیاری از مردم می دانند و مشاهده کرده اند که اگر با چکش به میخ ضربه بزنید، صاف می شود. این نمونه ای از تغییر شکل پلاستیک است. در سطح اتمی، این یک فرآیند پیچیده است. تغییر شکل پلاستیک نمی تواند در اجسام آمورف رخ دهد، بنابراین شیشه در هنگام ضربه تغییر شکل نمی دهد، بلکه فرو می ریزد.
اجسام جامد و توانایی آنها برای تغییر شکل پلاستیکی به ساختار کریستالی بستگی دارد. تغییر شکل برگشت ناپذیر در نظر گرفته شده به دلیل حرکت کمپلکس های اتمی خاص در حجم کریستال رخ می دهد که به آنها نابجایی می گویند. دومی می تواند دو نوع باشد (حاشیه ای و پیچی).
در میان تمام مواد جامد، فلزات بیشترین انعطاف پذیری را دارند، زیرا آنها تعداد زیادی صفحه لغزش را در زوایای مختلف در فضا برای نابجایی ایجاد می کنند. برعکس، مواد با پیوند کووالانسی یا یونی شکننده خواهند بود. اینها را می توان نسبت دادجواهرات یا نمک سفره ذکر شده.
تردی و چقرمگی
اگر دائماً به هر ماده جامد نیروی خارجی وارد کنید، دیر یا زود فرو می ریزد. دو نوع تخریب وجود دارد:
- شکننده;
- چسبناک.
اولین با ظاهر و رشد سریع ترک ها مشخص می شود. شکستگی‌های شکننده منجر به عواقب فاجعه‌بار در تولید می‌شوند، بنابراین سعی می‌کنند از مواد و شرایط عملیاتی آنها استفاده کنند که تحت آن تخریب مواد انعطاف‌پذیر باشد. مشخصه دومی رشد کند ترک و جذب مقدار زیادی انرژی قبل از شکست است.
برای هر ماده دمایی وجود دارد که انتقال شکننده به شکل پذیر را مشخص می کند. در بیشتر موارد، کاهش دما باعث تغییر شکستگی از شکل پذیر به شکننده می شود.
بارهای چرخه ای و دائمی
در مهندسی و فیزیک، خواص جامدات نیز با نوع بار اعمال شده بر آنها مشخص می شود. بنابراین، یک اثر چرخه ای ثابت بر روی ماده (به عنوان مثال، فشار-کشش) با اصطلاح مقاومت در برابر خستگی توصیف می شود. این نشان می دهد که مواد تضمین شده است که چند چرخه اعمال مقدار خاصی از تنش را بدون شکستگی تحمل می کند.
خستگی یک ماده نیز تحت بار ثابت، با اندازه گیری نرخ کرنش در طول زمان مورد مطالعه قرار می گیرد.
سختی مواد
یکی از خواص مکانیکی مهم جامدات سختی است. او تعریف می کندتوانایی ماده برای جلوگیری از ورود جسم خارجی به داخل آن. از نظر تجربی، تعیین اینکه کدام یک از این دو جسم سخت تر است، بسیار ساده است. فقط لازم است یکی از آنها را با دیگری خراش دهید. الماس سخت ترین کریستال است. هر ماده دیگری را خراش می دهد.
سایر خواص مکانیکی
مواد سخت دارای برخی خواص مکانیکی غیر از موارد ذکر شده در بالا هستند. ما آنها را به طور خلاصه فهرست می کنیم:
- انعطاف پذیری - توانایی گرفتن اشکال مختلف؛
- انعطاف پذیری - توانایی کشش به نخ های نازک؛
- توانایی مقاومت در برابر انواع خاصی از تغییر شکل، مانند خم شدن یا پیچش.
بنابراین، ساختار میکروسکوپی جامدات تا حد زیادی خواص آنها را تعیین می کند.
