Cietais materiāls ir viens no četriem agregācijas stāvokļiem, kuros var atrasties apkārtējā viela. Šajā rakstā mēs apskatīsim, kādas mehāniskās īpašības piemīt cietām vielām, ņemot vērā to iekšējās struktūras īpatnības.
Kas ir ciets materiāls?
Varbūt ikviens var atbildēt uz šo jautājumu. Dzelzs gabals, dators, galda piederumi, automašīnas, lidmašīnas, akmens, sniegs ir cietvielu piemēri. No fizikālā viedokļa ar vielas cieto agregātu stāvokli saprot tās spēju saglabāt formu un tilpumu dažādu mehānisku iedarbībā. Tieši šīs cieto vielu mehāniskās īpašības tās atšķir no gāzēm, šķidrumiem un plazmām. Ņemiet vērā, ka šķidrums arī saglabā tilpumu (tas nav saspiežams).
Iepriekš minētie cieto materiālu piemēri palīdzēs skaidrāk saprast, kāda nozīme tiem ir cilvēka dzīvē un sabiedrības tehnoloģiskajā attīstībā.
Ir vairākas fizikālās un ķīmiskās disciplīnas, kas pēta aplūkojamo vielas stāvokli. Mēs uzskaitām tikai svarīgākos no tiem:
- cietā fizikakorpuss;
- deformācijas mehānika;
- materiālzinātne;
- cieta ķīmija.
Cieto materiālu struktūra
Pirms aplūkot cietvielu mehāniskās īpašības, jāiepazīstas ar to iekšējo uzbūvi atomu līmenī.
Cieto materiālu daudzveidība to struktūrā ir lieliska. Tomēr pastāv universāla klasifikācija, kuras pamatā ir ķermeni veidojošo elementu (atomu, molekulu, atomu kopu) izkārtojuma periodiskuma kritērijs. Saskaņā ar šo klasifikāciju visas cietās vielas iedala šādās kategorijās:
- kristāls;
- amorfs.
Sāksim ar otro. Amorfam ķermenim nav sakārtotas struktūras. Atomi vai molekulas tajā ir izkārtoti nejauši. Šī īpašība noved pie amorfo materiālu īpašību izotropijas, tas ir, īpašības nav atkarīgas no virziena. Visspilgtākais amorfa ķermeņa piemērs ir stikls.
Kristāliskiem ķermeņiem vai kristāliem atšķirībā no amorfajiem materiāliem ir telpā sakārtots strukturālo elementu izvietojums. Mikroskalā viņi var atšķirt kristāliskās plaknes un paralēlas atomu rindas. Pateicoties šai struktūrai, kristāli ir anizotropi. Turklāt anizotropija izpaužas ne tikai cietvielu mehāniskajās īpašībās, bet arī elektriskajās, elektromagnētiskajās un citās īpašībās. Piemēram, turmalīna kristāls spēj pārraidīt gaismas viļņa vibrācijas tikai vienā virzienā, kas noved pieelektromagnētiskā starojuma polarizācija.
Kristālu piemēri ir gandrīz visi metāliskie materiāli. Visbiežāk tie ir atrodami trīs kristāla režģī: seju un ķermeni centrētu kubisko (attiecīgi fcc un bcc) un sešstūrveida cieši iepakoto (hcp). Vēl viens kristālu piemērs ir parastā galda sāls. Atšķirībā no metāliem, tā mezglos ir nevis atomi, bet hlorīda anjoni vai nātrija katjoni.
Elastība ir visu cieto materiālu galvenā īpašība
Pieliekot cietai vielai pat vismazāko spriegumu, mēs izraisījam tās deformāciju. Dažkārt deformācija var būt tik maza, ka to nevar pamanīt. Tomēr visi cietie materiāli deformējas, pieliekot ārēju slodzi. Ja pēc šīs slodzes noņemšanas deformācija pazūd, tad tie runā par materiāla elastību.
Spilgts elastības fenomena piemērs ir metāla atsperes saspiešana, ko apraksta Huka likums. Izmantojot spēku F un absolūto spriegumu (saspiešanu) x, šis likums tiek uzrakstīts šādi:
F=-kx.
Šeit k ir kāds skaitlis.
Berammetālu gadījumā Huka likumu parasti raksta, izmantojot pielietoto ārējo spriegumu σ, relatīvo deformāciju ε un Janga moduli E:
σ=Eε.
Junga modulis ir nemainīga vērtība konkrētam materiālam.
Elastīgās deformācijas iezīme, kas to atšķir no plastiskās deformācijas, ir atgriezeniskums. Cietvielu izmēru relatīvās izmaiņas elastīgās deformācijas apstākļos nepārsniedz 1%. Visbiežāk tie atrodas 0,2% robežās. Cietvielu elastīgās īpašības raksturo tas, ka pēc ārējās slodzes pārtraukšanas materiāla kristāliskajā režģī nepārvietojas konstrukcijas elementu pozīcijas.
Ja ārējais mehāniskais spēks ir pietiekami liels, tad pēc tā iedarbības uz ķermeni pārtraukšanas var redzēt atlikušo deformāciju. To sauc par plastmasu.
Cietvielu plastiskums
Mēs esam apsvēruši cietvielu elastīgās īpašības. Tagad pāriesim pie to plastiskuma īpašībām. Daudzi cilvēki zina un ir novērojuši, ka, trāpot ar āmuru naglai, tā saplacinās. Šis ir plastmasas deformācijas piemērs. Atomu līmenī tas ir sarežģīts process. Amorfos ķermeņos nevar rasties plastiskā deformācija, tāpēc stikls nedeformējas, kad tam tiek atsists, bet gan sabrūk.
Cietie ķermeņi un to spēja plastiski deformēties ir atkarīga no kristāliskās struktūras. Aplūkotā neatgriezeniskā deformācija rodas īpašu atomu kompleksu kustības dēļ kristāla tilpumā, ko sauc par dislokācijām. Pēdējā var būt divu veidu (malas un skrūves).
No visiem cietajiem materiāliem metāliem ir vislielākā plastiskums, jo tie nodrošina lielu skaitu slīdēšanas plakņu, kas ir vērstas dažādos leņķos telpā, lai veiktu dislokācijas. Un otrādi, materiāli ar kovalentām vai jonu saitēm būs trausli. Tos var attiecinātdārgakmeņi vai pieminētā galda sāls.
Trauslums un stingrība
Ja pastāvīgi pieliekat ārēju spēku jebkuram cietam materiālam, tad agri vai vēlu tas sabruks. Ir divi iznīcināšanas veidi:
- trausls;
- viskozs.
Pirmajam ir raksturīga plaisu parādīšanās un strauja augšana. Trausli lūzumi rada katastrofālas sekas ražošanā, tāpēc tiek mēģināts izmantot materiālus un to ekspluatācijas apstākļus, kuros materiāla iznīcināšana būtu elastīga. Pēdējo raksturo lēna plaisu augšana un liela enerģijas daudzuma absorbcija pirms atteices.
Katram materiālam ir noteikta temperatūra, kas raksturo trauslo-kaļamo pāreju. Vairumā gadījumu temperatūras pazemināšanās rezultātā lūzums mainās no elastīga uz trauslu.
Cikliskas un pastāvīgas slodzes
Inženierzinātnēs un fizikā cietvielu īpašības raksturo arī tām pieliktās slodzes veids. Tātad pastāvīgu ciklisku ietekmi uz materiālu (piemēram, spriedzi-saspiešanu) raksturo tā sauktā noguruma pretestība. Tas parāda, cik ciklu pielikšanas ciklu konkrētam spriegumam ir garantēts, ka materiāls izturēs bez lūzuma.
Materiāla nogurumu pēta arī pie pastāvīgas slodzes, mērot deformācijas ātrumu laika gaitā.
Materiālu cietība
Viena no svarīgām cietvielu mehāniskajām īpašībām ir cietība. Viņa definēmateriāla spēja novērst svešķermeņa iekļūšanu tajā. Empīriski ir ļoti vienkārši noteikt, kurš no diviem ķermeņiem ir grūtāks. Atliek tikai vienu no tiem saskrāpēt ar otru. Dimants ir cietākais kristāls. Tas saskrāpēs jebkuru citu materiālu.
Citas mehāniskās īpašības
Cietiem materiāliem ir dažas mehāniskās īpašības, kas atšķiras no iepriekš minētajām. Mēs tos īsi uzskaitām:
- elastība - spēja pieņemt dažādas formas;
- elastība - spēja izstiepties plānos pavedienos;
- spēja izturēt īpašus deformācijas veidus, piemēram, lieces vai griešanos.
Tādējādi cietvielu mikroskopiskā struktūra lielā mērā nosaka to īpašības.
