Pevný materiál predstavuje jeden zo štyroch stavov agregácie, v ktorých sa hmota okolo nás môže nachádzať. V tomto článku zvážime, aké mechanické vlastnosti sú vlastné pevným látkam, berúc do úvahy zvláštnosti ich vnútornej štruktúry.
Čo je pevný materiál?
Na túto otázku vie odpovedať snáď každý. Kus železa, počítač, príbor, autá, lietadlá, kameň, sneh, to všetko sú príklady pevných látok. Z fyzikálneho hľadiska sa pod pevným agregátovým stavom hmoty rozumie jej schopnosť zachovať si tvar a objem pri rôznych mechanických vplyvoch. Práve tieto mechanické vlastnosti pevných látok ich odlišujú od plynov, kvapalín a plazmy. Upozorňujeme, že kvapalina si tiež zachováva objem (je nestlačiteľná).
Vyššie uvedené príklady pevných materiálov pomôžu jasnejšie pochopiť, akú dôležitú úlohu zohrávajú pre ľudský život a technologický rozvoj spoločnosti.
Existuje niekoľko fyzikálnych a chemických disciplín, ktoré študujú uvažovaný stav hmoty. Uvádzame len tie najdôležitejšie z nich:
- fyzika pevných látoktelo;
- deformačná mechanika;
- veda o materiáloch;
- tuhá chémia.
Štruktúra tvrdých materiálov
Pred zvážením mechanických vlastností pevných látok by sme sa mali oboznámiť s ich vnútornou štruktúrou na úrovni atómov.
Rozmanitosť pevných materiálov v ich štruktúre je skvelá. Existuje však univerzálna klasifikácia, ktorá je založená na kritériu periodicity usporiadania prvkov (atómov, molekúl, atómových zhlukov), ktoré tvoria telo. Podľa tejto klasifikácie sa všetky pevné látky delia na:
- crystalline;
- amorfný.
Začnime druhým. Amorfné teleso nemá žiadnu usporiadanú štruktúru. Atómy alebo molekuly v ňom sú usporiadané náhodne. Táto vlastnosť vedie k izotropii vlastností amorfných materiálov, to znamená, že vlastnosti nezávisia od smeru. Najvýraznejším príkladom amorfného tela je sklo.
Kryštalické telesá alebo kryštály majú na rozdiel od amorfných materiálov usporiadanie štruktúrnych prvkov usporiadaných v priestore. Na mikroúrovni dokážu rozlíšiť medzi kryštalickými rovinami a paralelnými atómovými radmi. Vďaka tejto štruktúre sú kryštály anizotropné. Okrem toho sa anizotropia prejavuje nielen v mechanických vlastnostiach pevných látok, ale aj vo vlastnostiach elektrických, elektromagnetických a iných. Napríklad turmalínový kryštál môže prenášať vibrácie svetelnej vlny iba v jednom smere, čo vedie kpolarizácia elektromagnetického žiarenia.
Príkladom kryštálov sú takmer všetky kovové materiály. Najčastejšie sa nachádzajú v troch kryštálových mriežkach: tvárovo centrovaná a kubická centrovaná na telo (fcc a bcc, v tomto poradí) a šesťuholníková tesne zbalená (hcp). Ďalším príkladom kryštálov je obyčajná kuchynská soľ. Na rozdiel od kovov jej uzly neobsahujú atómy, ale chloridové anióny alebo sodné katióny.
Elasticita je hlavnou vlastnosťou všetkých tvrdých materiálov
Aplikovaním aj najmenšieho napätia na pevné teleso spôsobujeme jeho deformáciu. Niekedy môže byť deformácia taká malá, že si ju nemožno všimnúť. Všetky pevné materiály sa však pri pôsobení vonkajšieho zaťaženia deformujú. Ak po odstránení tohto zaťaženia deformácia zmizne, potom hovoria o elasticite materiálu.
Názorným príkladom fenoménu elasticity je stlačenie kovovej pružiny, ktoré popisuje Hookeov zákon. Prostredníctvom sily F a absolútneho napätia (tlaku) x je tento zákon zapísaný takto:
F=-kx.
Tu k je nejaké číslo.
V prípade objemových kovov sa Hookov zákon zvyčajne píše z hľadiska aplikovaného vonkajšieho napätia σ, relatívnej deformácie ε a Youngovho modulu E:
σ=Eε.
Youngov modul je konštantná hodnota pre konkrétny materiál.
Vlastnosťou elastickej deformácie, ktorá ju odlišuje od plastickej deformácie, je reverzibilita. Relatívne zmeny veľkosti pevných látok pri pružnej deformácii nepresahujú 1 %. Najčastejšie sa pohybujú v oblasti 0,2 %. Elastické vlastnosti pevných látok sú charakterizované absenciou posunutia polôh konštrukčných prvkov v kryštálovej mriežke materiálu po ukončení vonkajšieho zaťaženia.
Ak je vonkajšia mechanická sila dostatočne veľká, potom po ukončení jej pôsobenia na telo môžete vidieť zvyškovú deformáciu. Hovorí sa tomu plast.
Plasticita pevných látok
Uvažovali sme o elastických vlastnostiach pevných látok. Teraz prejdime k charakteristike ich plasticity. Mnoho ľudí vie a pozorovalo, že ak udriete kladivom do klinca, sploští sa. Toto je príklad plastickej deformácie. Na atómovej úrovni je to zložitý proces. V amorfných telesách nemôže dôjsť k plastickej deformácii, takže sklo sa pri náraze nedeformuje, ale zrúti.
Pevné telesá a ich schopnosť plastickej deformácie závisí od kryštalickej štruktúry. Uvažovaná nevratná deformácia nastáva v dôsledku pohybu špeciálnych atómových komplexov v objeme kryštálu, ktoré sa nazývajú dislokácie. Tieto môžu byť dvoch typov (okrajové a skrutkové).
Zo všetkých pevných materiálov majú kovy najväčšiu plasticitu, pretože poskytujú veľký počet sklzových rovín nasmerovaných pod rôznymi uhlami v priestore pre dislokácie. Naopak, materiály s kovalentnými alebo iónovými väzbami budú krehké. Tie možno pripísaťdrahokamy alebo spomínaná kuchynská soľ.
Krehkosť a húževnatosť
Ak neustále pôsobíte vonkajšou silou na akýkoľvek pevný materiál, skôr či neskôr sa zrúti. Existujú dva typy zničenia:
- fragile;
- viskózna.
Prvá sa vyznačuje výskytom a rýchlym rastom trhlín. Krehké lomy vedú vo výrobe ku katastrofálnym následkom, preto sa snažia používať materiály a ich prevádzkové podmienky, pri ktorých by deštrukcia materiálu bola tvárna. Ten sa vyznačuje pomalým rastom trhlín a absorpciou veľkého množstva energie pred poruchou.
Pre každý materiál existuje teplota, ktorá charakterizuje krehko-ťažný prechod. Vo väčšine prípadov pokles teploty zmení lom z tvárneho na krehký.
Cyklické a trvalé zaťaženie
V inžinierstve a fyzike sú vlastnosti pevných látok charakterizované aj typom zaťaženia, ktoré na ne pôsobí. Takže konštantný cyklický účinok na materiál (napríklad ťah-stlačenie) je opísaný takzvanou odolnosťou proti únave. Ukazuje, koľko cyklov aplikácie určitého množstva namáhania materiál zaručene vydrží bez porušenia.
Únava materiálu sa skúma aj pri konštantnom zaťažení meraním rýchlosti deformácie v priebehu času.
Tvrdosť materiálov
Jednou z dôležitých mechanických vlastností pevných látok je tvrdosť. Ona definujeschopnosť materiálu zabrániť vneseniu cudzieho telesa do neho. Empiricky je veľmi jednoduché určiť, ktoré z dvoch telies je ťažšie. Je len potrebné poškriabať jeden z nich druhým. Diamant je najtvrdší kryštál. Poškriabe to akýkoľvek iný materiál.
Iné mechanické vlastnosti
Tvrdé materiály majú niektoré mechanické vlastnosti iné ako tie, ktoré sú uvedené vyššie. Stručne ich vymenujeme:
- ťažnosť – schopnosť nadobúdať rôzne tvary;
- ťažnosť – schopnosť natiahnuť sa do tenkých vlákien;
- schopnosť odolávať špeciálnym typom deformácií, ako je ohýbanie alebo skrútenie.
Mikroskopická štruktúra pevných látok teda do značnej miery určuje ich vlastnosti.
