El material sòlid representa un dels quatre estats d'agregació en què es pot trobar la matèria que ens envolta. En aquest article, considerarem quines propietats mecàniques són inherents als sòlids, tenint en compte les peculiaritats de la seva estructura interna.
Què és un material sòlid?
Potser tothom pot respondre aquesta pregunta. Un tros de ferro, un ordinador, coberteria, cotxes, avions, pedra, neu són exemples de sòlids. Des del punt de vista físic, l'estat agregat sòlid de la matèria s'entén com la seva capacitat de conservar la seva forma i volum sota diverses influències mecàniques. Són aquestes propietats mecàniques dels sòlids les que els distingeixen dels gasos, líquids i plasmes. Tingueu en compte que el fluid també conserva volum (és incompressible).
Els exemples anteriors de materials sòlids ajudaran a entendre amb més claredat quin paper important tenen per a la vida humana i el desenvolupament tecnològic de la societat.
Hi ha diverses disciplines físiques i químiques que estudien l'estat de la matèria en consideració. Enumerem només els més importants:
- física sòlidacos;
- mecànica de deformació;
- ciència dels materials;
- química sòlida.
Estructura de materials durs
Abans de considerar les propietats mecàniques dels sòlids, cal familiaritzar-se amb la seva estructura interna a nivell atòmic.
La varietat de materials sòlids a la seva estructura és fantàstica. No obstant això, existeix una classificació universal, que es basa en el criteri de la periodicitat de la disposició dels elements (àtoms, molècules, cúmuls atòmics) que formen el cos. Segons aquesta classificació, tots els sòlids es divideixen en els següents:
- cristal·lí;
- amorf.
Comencem pel segon. Un cos amorf no té cap estructura ordenada. Els àtoms o molècules que hi ha estan disposats aleatòriament. Aquesta característica condueix a la isotropia de les propietats dels materials amorfs, és a dir, les propietats no depenen de la direcció. L'exemple més sorprenent de cos amorf és el vidre.
Els cossos o cristalls cristal·lins, a diferència dels materials amorfs, tenen una disposició d'elements estructurals ordenats a l'espai. A microescala, poden distingir entre plans cristal·lins i files atòmiques paral·leles. A causa d'aquesta estructura, els cristalls són anisòtrops. A més, l'anisotropia es manifesta no només en les propietats mecàniques dels sòlids, sinó també en les propietats elèctriques, electromagnètiques i altres. Per exemple, un cristall de turmalina només pot transmetre les vibracions d'una ona de llum en una direcció, la qual cosa condueix apolarització de la radiació electromagnètica.
Els exemples de cristalls són gairebé tots els materials metàl·lics. Es troben amb més freqüència en tres geloses cristal·lines: cúbics centrats en la cara i centrats en el cos (fcc i bcc, respectivament) i hexagonals tancats (hcp). Un altre exemple de cristalls és la sal de taula comuna. A diferència dels metalls, els seus nodes no contenen àtoms, sinó anions clorur o cations de sodi.
L'elasticitat és la propietat principal de tots els materials durs
Aplicant fins i tot la menor tensió a un sòlid, fem que es deformi. De vegades, la deformació pot ser tan petita que no es pot notar. Tanmateix, tots els materials sòlids es deformen quan s'aplica una càrrega externa. Si després d'eliminar aquesta càrrega, la deformació desapareix, llavors parlen de l'elasticitat del material.
Un exemple viu del fenomen de l'elasticitat és la compressió d'una molla metàl·lica, que es descriu per la llei de Hooke. Mitjançant la força F i la tensió absoluta (compressió) x, aquesta llei s'escriu de la següent manera:
F=-kx.
Aquí k hi ha algun número.
En el cas dels metalls a granel, la llei de Hooke s'escriu normalment en termes de la tensió externa aplicada σ, la deformació relativa ε i el mòdul E de Young:
σ=Eε.
El mòdul de Young és un valor constant per a un material concret.
La característica de la deformació elàstica, que la distingeix de la deformació plàstica, és la reversibilitat. Els canvis relatius en la mida dels sòlids sota deformació elàstica no superen l'1%. La majoria de les vegades es troben al voltant del 0,2%. Les propietats elàstiques dels sòlids es caracteritzen per l'absència de desplaçament de les posicions dels elements estructurals a la xarxa cristal·lina del material després de la finalització de la càrrega externa.
Si la força mecànica externa és prou gran, després de la finalització de la seva acció sobre el cos, es pot veure la deformació residual. Es diu plàstic.
Plasticitat dels sòlids
Hem considerat les propietats elàstiques dels sòlids. Passem ara a les característiques de la seva plasticitat. Molta gent sap i ha observat que si colpeja un clau amb un martell, s'aplana. Aquest és un exemple de deformació plàstica. A nivell atòmic, és un procés complex. La deformació plàstica no es pot produir en cossos amorfs, de manera que el vidre no es deforma quan és colpejat, sinó que es col·lapsa.
Els cossos sòlids i la seva capacitat de deformar plàsticament depèn de l'estructura cristal·lina. La deformació considerada irreversible es produeix a causa del moviment de complexos atòmics especials en el volum del cristall, que s'anomenen dislocacions. Aquest últim pot ser de dos tipus (marginal i cargol).
De tots els materials sòlids, els metalls tenen la plasticitat més gran, ja que proporcionen un gran nombre de plans de lliscament dirigits a diferents angles a l'espai per a les dislocacions. Per contra, els materials amb enllaços covalents o iònics seran fràgils. Aquests es poden atribuirgemmes o l'esmentada sal de taula.
Fragilitat i duresa
Si apliqueu constantment una força externa a qualsevol material sòlid, tard o d'hora es col·lapsarà. Hi ha dos tipus de destrucció:
- fràgil;
- viscós.
La primera es caracteritza per l'aparició i creixement ràpid d'esquerdes. Les fractures fràgils provoquen conseqüències catastròfiques en la producció, per tant, intenten utilitzar materials i les seves condicions de funcionament en les quals la destrucció del material seria dúctil. Aquest últim es caracteritza per un creixement lent de les esquerdes i l'absorció d'una gran quantitat d'energia abans de la fallada.
Per a cada material hi ha una temperatura que caracteritza la transició fràgil-dúctil. En la majoria dels casos, una disminució de la temperatura canvia la fractura de dúctil a trencadissa.
Càrregues cícliques i permanents
En enginyeria i física, les propietats dels sòlids també es caracteritzen pel tipus de càrrega que s'hi aplica. Així, un efecte cíclic constant sobre el material (per exemple, tensió-compressió) es descriu per l'anomenada resistència a la fatiga. Mostra quants cicles d'aplicació d'una determinada quantitat de tensió pot suportar el material sense trencar-se.
La fatiga d'un material també s'estudia amb càrrega constant, mesurant la velocitat de tensió al llarg del temps.
Duretat dels materials
Una de les propietats mecàniques importants dels sòlids és la duresa. Ella defineixla capacitat del material per evitar la introducció d'un cos estrany en ell. Empíricament, és molt senzill determinar quin dels dos cossos és més dur. Només cal ratllar un d'ells amb l' altre. El diamant és el cristall més dur. Esgarraparà qualsevol altre material.
Altres propietats mecàniques
Els materials durs tenen algunes propietats mecàniques diferents de les indicades anteriorment. Els enumerem breument:
- ductilitat: la capacitat d'assumir diverses formes;
- ductilitat: la capacitat d'estirar-se en fils prims;
- capacitat per resistir tipus especials de deformació, com ara flexió o torsió.
Així, l'estructura microscòpica dels sòlids determina en gran mesura les seves propietats.
