Основные механические свойства твердых тел

Твердое тело является одним из четырех состояний вещества, включая плазму, которые могут существовать в природе. Характеризуется это состояние вещества тем, что оно оказывает сопротивление любой внешней силе, которая действует на него с целью изменения формы и объема тела. Иными словами, механические свойства твердых тел являются их отличительной характеристикой.

Кристаллические и аморфные твердые тела

Прежде чем рассматривать вопрос о механических свойствах твердых тел, следует сказать, что они по своей атомной структуре бывают двух типов:

• кристаллы;
• аморфное состояние.

В кристаллических телах сохраняется дальний порядок, то есть, зная положение атомов в некотором минимальном объеме вещества, можно описать положение всех остальных атомов кристалла, транслируя атомы, находящиеся в минимальном объеме, на определенные вектора трансляции.

В аморфных телах не существует дальнего порядка, однако существует ближний порядок в расположении атомов, то есть соседние атомы для данного атома образуют локальную, кластерную структуру, которая одинакова у всех атомов аморфного тела.

Различие в свойствах кристаллов и аморфных тел

Ввиду различия во внутреннем строении кристаллов и аморфных тел многие их свойства различаются, например, кристаллические вещества обладают конкретной температурой плавления, у аморфных тел эта величина не является постоянной. Кристаллы характеризуются анизотропией, то есть зависимостью различных физических свойств от пространственного направления, аморфные же тела являются изотропными.

Примерами кристаллов являются твердые оксиды, сульфаты, металлы, карбиды. К аморфным веществам относятся стекло, полимеры, каучук.

Химическая связь в твердых телах

Механические свойства твердых тел во многом определяются типом химических связей, которые образуют эти тела. Существуют следующие типы связи:

• Молекулярная. Природа этой связи заключается в диполь-дипольных электрических взаимодействиях, которые возникают из-за мгновенной поляризации атомов, состоящих из отрицательно заряженной электронной оболочки и положительно заряженного атомного ядра. Также эта связь носит название Ван-дер-Ваальсовой. Ярким примером таких кристаллов являются практически все органические соединения, а также сера.
• Ковалентная. Этот тип связи является достаточно прочным, образуется ковалентная связь, когда перекрываются внешние электронные оболочки соседних атомов. Например, кристалл алмаза образован исключительно ковалентными связями.
• Металлическая. Этот тип связи характерен для металлов и сплавов. Металлическая связь является достаточно прочной. Образована она за счет обобществления атомных электронов, совокупность которых называют электронным газом. Этот электронный газ распределен по всей кристаллической решетке металла, узлы которой представляют собой катионы атомов.
• Ионная. Данная связь образована за счет кулоновских взаимодействий и является достаточно сильной. Ярким примером кристаллов с ионной связью является кристалл NaCl, в котором положительные ионы натрия окружены отрицательными ионами хлора.

Далее в статье перечислены механические свойства твердых тел, которые во многом связаны с типом связи между составляющими их частицами и типом пространственного расположения этих частиц.

Упругая деформация

В отличие от газов и жидкостей, отличительным механическим свойством твердых тел является их способность упруго деформироваться. Под упругой деформацией понимается способность тела изменять свою форму при воздействии внешних сил, но затем снова восстанавливать первоначальную форму, когда действие этих сил прекращается.

Упругая деформация описывается законом Гука. Механическое свойство твердых тел - упругость в обобщенном законе Гука имеет вид: σ_ij = Σ_k,lC_ijklε_kl, где σ_ij - тензор напряжений второго порядка, C_ijkl - упругие постоянные для данного вещества, ε_kl - тензор относительной деформации. Для линейного и изотропного случая, например, упругое растяжение металлического стержня, закон Гука приобретет вид: σ = Eε, где E - модуль Юнга для данного материала.

Закон Гука для пружины

Одной из простых формул механических свойств твердых тел является закон Гука для пружины, который можно записать так: F = - kx, где F - внешняя сила, растягивающая или сжимающая пружину, x - абсолютная величина сжатия или растяжения пружины от ее положения равновесия в отсутствии действия внешней силы, k - упругая постоянная, которая зависит от материала, из которого изготовлена пружина, а также от ее длины.

Согласно закону Гука, можно определить энергию, которую запасает пружина, при изменении ее длины на величину x, эта энергия определяется по формуле: E = ½kx².

Пластическая деформация

Каждый материал обладает определенным пределом на величину относительной деформации, после которого он может либо разрушится, либо начать деформироваться пластически. Под пластической деформацией понимается такое изменение формы тела, которое остается после прекращения действия вызвавшей его внешней силы.

Не все твердые тела могут пластически деформироваться, например, тела, в которых химическая связь является ковалентной или ионной, являются хрупкими, то есть после превышения упругого предела по напряжению они разрушаются. Пластическая деформация как механическое свойство твердых тел ярко выражена у металлических материалов. Металлы могут пластически деформироваться на десятки и даже сотни процентов, не испытывая при этом механического разрушения. Это свойство металлов обусловлено особенностями их кристаллических решеток и наличием в них особых атомных структур - дислокаций.

Тягучесть и ковкость

Изучение механических свойств твердых тел также касается тягучести и ковкости, которые являются разновидностями пластической деформации.

Тягучесть характеризует способность некоторых материалов, например, металлов, демонстрировать устойчивую пластическую деформацию на сотни и тысячи процентов без механического разрушения. Тягучесть позволяет получать проволоку. Не стоит думать, что тягучие материалы не могут разрушиться, однако в отличие от не тягучих материалов их разрушение происходит после того, как их деформации достигнут больших значений.

Ковкость - важное механическое свойство твердых тел в физике, которое характеризует способность пластически деформироваться материал без разрушения в результате воздействия на него больших давлений. В отличие от тягучести, которая позволяет получать тонкие нити, хорошая ковкость позволяет получать тонкие пластины. Хорошей ковкостью обладают золото, платина, серебро, медь и железо.

Хрупко-вязкий переход

Хрупкость и вязкость являются основными механическими свойствами твердых тел, поскольку они характеризуют процесс разрушения данного материала. Механическое разрушение происходит, когда внешнее напряжение превышает определенные значения, либо величина деформации становится существенной. При этом материал разрушается ввиду распространения трещин в нем, поскольку в вершине трещины находятся максимальные локальные напряжения.

В основе классификации хрупкого и вязкого разрушений лежит величина поглощаемой при этом разрушении энергии, которая определяется как произведение действующих напряжений на величину деформации тела. Примерами веществ, которые разрушаются хрупко, то есть их энергия разрушения мала, являются стекло и керамические материалы.

Разрушение металлов при определенных температурах является вязким, то есть идет с поглощением большого количества энергии. Следует отметить, что температура, а также химический состав и строение твердого тела являются основными факторами, которые определяют, будет ли разрушение хрупким или вязким.

Знание температуры хрупко-вязкого перехода для данного материала является важным перед тем, как использовать этот материал в каких-либо конструкциях.

Твердость тел

Если говорить кратко о механических свойствах твердых тел, то нельзя не упомянуть твердость, которая характеризует способность тела противостоять проникновению в него и абразивному износу. Например, дерево можно легко поцарапать, это означает, что оно не обладает большой твердостью. Наоборот, любой металл очень тяжело поцарапать, то есть значение твердости для него велико.

Именно используя метод "царапания" одного тела другим, можно определить относительную твердость. Твердые вещества, которые образованы ковалентными связями, обладают большими значениями твердости, а самым твердым природным материалом является алмаз.

Современные способы измерения твердости

Для изучения механических свойств твердых тел в плане твердости используют различные современные установки, принцип действия которых заключается во вдавливании индентора в материал и последующем измерении глубины его внедрения под данной нагрузкой. В промышленных масштабах применяются следующие методы измерения твердости:

• Твердость по Бринеллю. В качестве материала индентора используется карбид вольфрама либо закаленная сталь. Сам индентор представляет шарик. Этот метод является легким при его реализации, однако в ряде случаев его точности недостаточно, например, при измерении твердых материалов либо пластин с толщиной менее 6 мм.
• Твердость по Роквеллу. Индентор в данном методе измерения твердости представляет собой алмазный конус небольшого размера. Этот метод является достаточно точным и пригоден для измерения указанной физической характеристики любых материалов.
• Твердость по Виккерсу. В качестве индентора используется алмазная пирамида. Данный метод является улучшенным вариантом измерения твердости по Бринеллю, поскольку позволяет измерять твердость пластин, толщина которых превышает 2 мм.