Materiali i ngurtë përfaqëson një nga katër gjendjet e grumbullimit në të cilat mund të jetë lënda rreth nesh. Në këtë artikull, ne do të shqyrtojmë se cilat veti mekanike janë të natyrshme në trupat e ngurtë, duke marrë parasysh veçoritë e strukturës së tyre të brendshme.
Çfarë është një material i fortë?
Ndoshta të gjithë mund t'i përgjigjen kësaj pyetjeje. Një copë hekur, një kompjuter, takëm, makina, aeroplanë, gurë, borë janë të gjitha shembuj të trupave të ngurtë. Nga pikëpamja fizike, gjendja e ngurtë agregate e materies kuptohet si aftësia e saj për të ruajtur formën dhe vëllimin e saj nën ndikime të ndryshme mekanike. Janë këto veti mekanike të trupave të ngurtë që i dallojnë ato nga gazet, lëngjet dhe plazma. Vini re se lëngu gjithashtu ruan vëllimin (është i pakthyeshëm).
Shembujt e mësipërm të materialeve të ngurta do të ndihmojnë për të kuptuar më qartë se çfarë roli të rëndësishëm luajnë ato për jetën njerëzore dhe zhvillimin teknologjik të shoqërisë.
Ka disa disiplina fizike dhe kimike që studiojnë gjendjen e materies në shqyrtim. Ne rendisim vetëm më të rëndësishmet prej tyre:
- fizikë e ngurtëtrupi;
- mekanika e deformimit;
- shkenca materiale;
- kimia e ngurtë.
Struktura e materialeve të forta
Para se të merren parasysh vetitë mekanike të trupave të ngurtë, duhet të njiheni me strukturën e tyre të brendshme në nivelin atomik.
Shumëllojshmëria e materialeve të ngurta në strukturën e tyre është e madhe. Sidoqoftë, ekziston një klasifikim universal, i cili bazohet në kriterin e periodicitetit të rregullimit të elementeve (atomeve, molekulave, grupimeve atomike) që përbëjnë trupin. Sipas këtij klasifikimi, të gjitha trupat e ngurtë ndahen në:
- kristaline;
- amorf.
Le të fillojmë me të dytin. Një trup amorf nuk ka ndonjë strukturë të rregulluar. Atomet ose molekulat në të janë rregulluar në mënyrë të rastësishme. Kjo veçori çon në izotropinë e vetive të materialeve amorfe, domethënë, vetitë nuk varen nga drejtimi. Shembulli më i mrekullueshëm i një trupi amorf është qelqi.
Trupat ose kristalet kristalore, ndryshe nga materialet amorfe, kanë një rregullim të elementeve strukturorë të renditur në hapësirë. Në mikroshkallë, ata mund të dallojnë midis planeve kristalore dhe rreshtave paralele atomike. Për shkak të kësaj strukture, kristalet janë anizotropike. Për më tepër, anizotropia manifestohet jo vetëm në vetitë mekanike të trupave të ngurtë, por edhe në vetitë elektrike, elektromagnetike dhe të tjera. Për shembull, një kristal turmalinë mund të transmetojë vetëm dridhjet e një valë drite në një drejtim, gjë që çon nëpolarizimi i rrezatimit elektromagnetik.
Shembuj të kristaleve janë pothuajse të gjitha materialet metalike. Ato gjenden më shpesh në tre rrjeta kristalore: kubike me në qendër fytyrën dhe trupin në qendër (fcc dhe bcc, përkatësisht) dhe gjashtëkëndore të mbyllura (hcp). Një shembull tjetër i kristaleve është kripa e zakonshme e tryezës. Ndryshe nga metalet, nyjet e tij nuk përmbajnë atome, por anione kloride ose katione natriumi.
Elasticiteti është vetia kryesore e të gjitha materialeve të forta
Duke ushtruar edhe stresin më të vogël në një trup të ngurtë, ne e bëjmë atë të deformohet. Ndonjëherë deformimi mund të jetë aq i vogël sa nuk mund të vërehet. Megjithatë, të gjitha materialet e ngurta deformohen kur aplikohet një ngarkesë e jashtme. Nëse pas heqjes së kësaj ngarkese deformimi zhduket, atëherë flasin për elasticitetin e materialit.
Një shembull i gjallë i fenomenit të elasticitetit është ngjeshja e një suste metalike, e cila përshkruhet nga ligji i Hukut. Nëpërmjet forcës F dhe tensionit absolut (ngjeshjes) x, ky ligj shkruhet si më poshtë:
F=-kx.
Këtu k është një numër.
Në rastin e metaleve me shumicë, ligji i Hukut zakonisht shkruhet në termat e stresit të jashtëm të aplikuar σ, tendosjes relative ε dhe modulit të Young E:
σ=Eε.
Moduli i Young është një vlerë konstante për një material të caktuar.
Veçori e deformimit elastik, që e dallon atë nga deformimi plastik, është kthyeshmëria. Ndryshimet relative në madhësinë e trupave të ngurtë nën deformim elastik nuk kalojnë 1%. Më shpesh ato shtrihen në rajonin prej 0.2%. Vetitë elastike të trupave të ngurtë karakterizohen nga mungesa e zhvendosjes së pozicioneve të elementeve strukturorë në rrjetën kristalore të materialit pas përfundimit të ngarkesës së jashtme.
Nëse forca e jashtme mekanike është mjaft e madhe, atëherë pas përfundimit të veprimit të saj në trup, mund të shihni deformimin e mbetur. Quhet plastike.
Plasticiteti i trupave të ngurtë
Ne kemi shqyrtuar vetitë elastike të trupave të ngurtë. Tani le të kalojmë te karakteristikat e plasticitetit të tyre. Shumë njerëz e dinë dhe kanë vërejtur se nëse godet një gozhdë me çekiç, ajo rrafshohet. Ky është një shembull i deformimit plastik. Në nivelin atomik, është një proces kompleks. Deformimi plastik nuk mund të ndodhë në trupat amorfë, kështu që xhami nuk deformohet kur goditet, por shembet.
Trupat e ngurtë dhe aftësia e tyre për të deformuar plastikisht varet nga struktura kristalore. Deformimi i konsideruar i pakthyeshëm ndodh për shkak të lëvizjes së komplekseve të veçanta atomike në vëllimin e kristalit, të cilat quhen dislokime. Kjo e fundit mund të jetë dy llojesh (margjinale dhe me vidë).
Nga të gjitha materialet e ngurta, metalet kanë plasticitetin më të madh, pasi ato ofrojnë një numër të madh planesh rrëshqitëse të drejtuara në kënde të ndryshme në hapësirë për dislokime. Në të kundërt, materialet me lidhje kovalente ose jonike do të jenë të brishtë. Këto mund t'i atribuohengurë të çmuar ose kripa e përmendur e tryezës.
Brishtësia dhe qëndrueshmëria
Nëse vazhdimisht aplikoni një forcë të jashtme ndaj çdo materiali të ngurtë, atëherë herët a vonë ai do të shembet. Ekzistojnë dy lloje të shkatërrimit:
- i brishtë;
- viskoze.
E para karakterizohet nga shfaqja dhe rritja e shpejtë e çarjeve. Thyerjet e brishta çojnë në pasoja katastrofike në prodhim, prandaj, ata përpiqen të përdorin materialet dhe kushtet e tyre të funksionimit në të cilat shkatërrimi i materialit do të ishte duktil. Kjo e fundit karakterizohet nga rritja e ngad altë e plasaritjes dhe thithja e një sasie të madhe energjie përpara dështimit.
Për çdo material ka një temperaturë që karakterizon tranzicionin e brishtë-duktil. Në shumicën e rasteve, ulja e temperaturës e ndryshon frakturën nga duktile në të brishtë.
Ngarkesa ciklike dhe të përhershme
Në inxhinieri dhe fizikë, vetitë e trupave të ngurtë karakterizohen gjithashtu nga lloji i ngarkesës që aplikohet në to. Pra, një efekt ciklik i vazhdueshëm në material (për shembull, tensioni-ngjeshja) përshkruhet nga e ashtuquajtura rezistencë ndaj lodhjes. Ai tregon se sa cikle aplikimi të një sasie të caktuar stresi është e garantuar që materiali të përballojë pa u thyer.
Lodhja e një materiali studiohet gjithashtu nën ngarkesë konstante, duke matur shkallën e sforcimit me kalimin e kohës.
Ngurtësia e materialeve
Një nga vetitë e rëndësishme mekanike të trupave të ngurtë është ngurtësia. Ajo përcaktonaftësia e materialit për të parandaluar futjen e një trupi të huaj në të. Empirikisht, është shumë e thjeshtë të përcaktohet se cili nga dy trupat është më i vështirë. Është e nevojshme vetëm të gërvishtni njërën prej tyre me tjetrën. Diamanti është kristali më i fortë. Do të gërvisht çdo material tjetër.
Veçori të tjera mekanike
Materialet e forta kanë disa veti mekanike të ndryshme nga ato të përmendura më sipër. Ne i rendisim shkurtimisht:
- duktiliteti - aftësia për të marrë forma të ndryshme;
- duktiliteti - aftësia për t'u shtrirë në fije të holla;
- aftësia për t'i rezistuar llojeve të veçanta të deformimeve, të tilla si përkulja ose përdredhja.
Kështu, struktura mikroskopike e trupave të ngurtë përcakton kryesisht vetitë e tyre.
