Pevný materiál představuje jeden ze čtyř stavů agregace, ve kterých se hmota kolem nás může nacházet. V tomto článku zvážíme, jaké mechanické vlastnosti jsou vlastní pevným látkám, s ohledem na zvláštnosti jejich vnitřní struktury.
Co je pevný materiál?
Na tuto otázku dokáže odpovědět snad každý. Kus železa, počítač, příbor, auta, letadla, kámen, sníh jsou příklady pevných látek. Z fyzikálního hlediska se pevným skupenstvím hmoty rozumí její schopnost udržet si tvar a objem pod různými mechanickými vlivy. Právě tyto mechanické vlastnosti pevných látek je odlišují od plynů, kapalin a plazmatu. Všimněte si, že tekutina si také zachovává objem (je nestlačitelná).
Výše uvedené příklady pevných materiálů pomohou jasněji pochopit, jakou důležitou roli hrají pro lidský život a technologický rozvoj společnosti.
Existuje několik fyzikálních a chemických disciplín, které studují uvažovaný stav hmoty. Uvádíme pouze ty nejdůležitější z nich:
- fyzika pevných látektělo;
- deformační mechanika;
- nauka o materiálech;
- pevná chemie.
Struktura tvrdých materiálů
Před zvážením mechanických vlastností pevných látek bychom se měli seznámit s jejich vnitřní strukturou na atomární úrovni.
Rozmanitost pevných materiálů v jejich struktuře je skvělá. Existuje však univerzální klasifikace, která je založena na kritériu periodicity uspořádání prvků (atomů, molekul, atomových shluků), které tvoří tělo. Podle této klasifikace se všechny pevné látky dělí na následující:
- crystalline;
- amorfní.
Začněme tím druhým. Amorfní těleso nemá žádnou uspořádanou strukturu. Atomy nebo molekuly v něm jsou uspořádány náhodně. Tato vlastnost vede k izotropii vlastností amorfních materiálů, to znamená, že vlastnosti nezávisí na směru. Nejnápadnějším příkladem amorfního těla je sklo.
Krystalická tělesa nebo krystaly mají na rozdíl od amorfních materiálů uspořádání konstrukčních prvků uspořádaných v prostoru. V mikroměřítku dokážou rozlišovat mezi krystalickými rovinami a paralelními atomovými řadami. Díky této struktuře jsou krystaly anizotropní. Anizotropie se navíc projevuje nejen v mechanických vlastnostech pevných látek, ale také ve vlastnostech elektrických, elektromagnetických a dalších. Například turmalínový krystal může přenášet vibrace světelné vlny pouze v jednom směru, což vede kpolarizace elektromagnetického záření.
Příklady krystalů jsou téměř všechny kovové materiály. Nejčastěji se nacházejí ve třech krystalových mřížkách: kubické centrované na obličej a centrované na tělo (fcc, resp. bcc) a hexagonální těsně uspořádané (hcp). Dalším příkladem krystalů je běžná kuchyňská sůl. Na rozdíl od kovů jeho uzly neobsahují atomy, ale chloridové anionty nebo sodíkové kationty.
Elasticita je hlavní vlastností všech tvrdých materiálů
Aplikací i nejmenšího napětí na těleso způsobíme jeho deformaci. Někdy může být deformace tak malá, že ji nelze zaznamenat. Všechny pevné materiály se však při působení vnějšího zatížení deformují. Pokud po odstranění tohoto zatížení deformace zmizí, pak hovoří o pružnosti materiálu.
Názorným příkladem jevu elasticity je stlačování kovové pružiny, které popisuje Hookeův zákon. Prostřednictvím síly F a absolutního napětí (tlaku) x je tento zákon zapsán následovně:
F=-kx.
Tady k je nějaké číslo.
V případě volně ložených kovů se Hookeův zákon obvykle píše z hlediska použitého vnějšího napětí σ, relativního přetvoření ε a Youngova modulu E:
σ=Eε.
Youngův modul je konstantní hodnota pro konkrétní materiál.
Vlastností elastické deformace, která ji odlišuje od plastické deformace, je reverzibilita. Relativní změny velikosti pevných látek při pružné deformaci nepřesahují 1 %. Nejčastěji se pohybují v oblasti 0,2 %. Elastické vlastnosti pevných látek jsou charakterizovány absencí posunutí poloh strukturních prvků v krystalové mřížce materiálu po ukončení vnějšího zatížení.
Pokud je vnější mechanická síla dostatečně velká, pak po ukončení jejího působení na těleso můžete vidět zbytkovou deformaci. Říká se tomu plast.
Plasticita pevných látek
Zvažovali jsme elastické vlastnosti pevných látek. Nyní přejděme k charakteristice jejich plasticity. Mnoho lidí ví a pozorovalo, že když kladivem uhodíte hřebík, zploští se. Toto je příklad plastické deformace. Na atomové úrovni je to složitý proces. U amorfních těles nemůže dojít k plastické deformaci, takže sklo se při nárazu nedeformuje, ale zbortí.
Pevná tělesa a jejich schopnost plastické deformace závisí na krystalické struktuře. K uvažované nevratné deformaci dochází v důsledku pohybu speciálních atomových komplexů v objemu krystalu, které se nazývají dislokace. Druhé může být dvou typů (okrajové a šroubové).
Ze všech pevných materiálů mají kovy největší plasticitu, protože poskytují velké množství skluzových rovin nasměrovaných pod různými úhly v prostoru pro dislokace. Naopak materiály s kovalentními nebo iontovými vazbami budou křehké. Ty lze připsatdrahokamy nebo zmíněná kuchyňská sůl.
Křehkost a houževnatost
Pokud neustále působíte vnější silou na jakýkoli pevný materiál, dříve nebo později se zhroutí. Existují dva typy ničení:
- fragile;
- viskózní.
První se vyznačuje výskytem a rychlým růstem trhlin. Křehké lomy vedou ve výrobě ke katastrofálním následkům, proto se snaží používat materiály a jejich provozní podmínky, za kterých by destrukce materiálu byla tažná. Ten se vyznačuje pomalým růstem trhlin a absorpcí velkého množství energie před selháním.
Pro každý materiál existuje teplota, která charakterizuje přechod křehko- tažný. Ve většině případů pokles teploty změní lom z tvárného na křehký.
Cyklické a trvalé zatížení
Ve strojírenství a fyzice jsou vlastnosti pevných látek také charakterizovány typem zatížení, které na ně působí. Konstantní cyklický účinek na materiál (například tah-komprese) je tedy popsán tzv. odolností proti únavě. Ukazuje, kolik cyklů aplikace určitého množství namáhání materiál zaručeně odolá, aniž by se zlomil.
Únava materiálu se také zkoumá při konstantním zatížení měřením rychlosti deformace v průběhu času.
Tvrdost materiálů
Jednou z důležitých mechanických vlastností pevných látek je tvrdost. Ona definujeschopnost materiálu zabránit vnesení cizího tělesa do něj. Empiricky je velmi jednoduché určit, které ze dvou těles je těžší. Stačí pouze jeden z nich druhým poškrábat. Diamant je nejtvrdší krystal. Poškrábe jakýkoli jiný materiál.
Další mechanické vlastnosti
Tvrdé materiály mají některé mechanické vlastnosti jiné než ty, které jsou uvedeny výše. Stručně je vyjmenujeme:
- duktilita – schopnost přijímat různé tvary;
- duktilita - schopnost natáhnout se do tenkých vláken;
- schopnost odolávat speciálním typům deformací, jako je ohýbání nebo kroucení.
Mikroskopická struktura pevných látek tedy do značné míry určuje jejich vlastnosti.
