Хатуу материал нь бидний эргэн тойрон дахь бодис байж болох нэгтгэх дөрвөн төлөвийн аль нэгийг илэрхийлдэг. Энэ өгүүллээр бид хатуу биетүүдийн дотоод бүтцийн онцлогийг харгалзан ямар механик шинж чанартай болохыг авч үзэх болно.
Хатуу материал гэж юу вэ?
Энэ асуултанд хүн бүр хариулж магадгүй. Хэсэг төмөр, компьютер, хутганы хэрэгсэл, машин, онгоц, чулуу, цас зэрэг нь хатуу биетүүдийн жишээ юм. Физикийн үүднээс авч үзвэл материалын хатуу агрегат төлөвийг янз бүрийн механик нөлөөн дор хэлбэр, эзэлхүүнийг хадгалах чадварыг ойлгодог. Хатуу бодисын эдгээр механик шинж чанарууд нь тэдгээрийг хий, шингэн, плазмаас ялгадаг. Шингэн нь эзэлхүүнийг хадгалдаг (шахдаггүй) гэдгийг анхаарна уу.
Дээрх хатуу материалын жишээнүүд нь хүний амьдрал, нийгмийн технологийн хөгжилд ямар чухал үүрэг гүйцэтгэдэг болохыг илүү тодорхой ойлгоход тусална.
Бодисын төлөв байдлыг судалдаг физик, химийн хэд хэдэн салбар байдаг. Бид зөвхөн хамгийн чухалыг нь жагсаав:
- хатуу физиких бие;
- деформацийн механик;
- материал шинжлэх ухаан;
- хатуу хими.
Хатуу материалын бүтэц
Хатуу бодисын механик шинж чанарыг авч үзэхийн өмнө атомын түвшинд тэдгээрийн дотоод бүтэцтэй танилцах хэрэгтэй.
Тэдний бүтэц дэх хатуу материалын олон янз байдал маш сайн. Гэсэн хэдий ч биеийг бүрдүүлдэг элементүүдийн (атом, молекул, атомын бөөгнөрөл) зохион байгуулалтын үечилсэн байдлын шалгуурт үндэслэсэн бүх нийтийн ангилал байдаг. Энэ ангиллын дагуу бүх хатуу бодисыг дараах байдлаар хуваана:
- талст;
- аморф.
Хоёрдохоос нь эхэлцгээе. Аморф бие нь эмх цэгцтэй бүтэцтэй байдаггүй. Түүний доторх атомууд эсвэл молекулууд санамсаргүй байдлаар байрладаг. Энэ шинж чанар нь аморф материалын шинж чанарын изотропид хүргэдэг, өөрөөр хэлбэл шинж чанар нь чиглэлээс хамаардаггүй. Аморф биеийн хамгийн тод жишээ бол шил юм.
Болор биетүүд буюу талстууд нь аморф материалаас ялгаатай нь орон зайд дараалсан бүтцийн элементүүдийн зохион байгуулалттай байдаг. Микро масштабаар тэд талст хавтгай ба зэрэгцээ атомын эгнээ хооронд ялгаж чаддаг. Энэ бүтцийн улмаас талстууд нь анизотроп шинж чанартай байдаг. Түүнээс гадна анизотропи нь зөвхөн хатуу бодисын механик шинж чанараас гадна цахилгаан, цахилгаан соронзон болон бусад шинж чанаруудад илэрдэг. Жишээлбэл, турмалин болор нь зөвхөн нэг чиглэлд гэрлийн долгионы чичиргээг дамжуулж чаддаг.цахилгаан соронзон цацрагийн туйлшрал.
Талстуудын жишээ бол бараг бүх металл материал юм. Тэдгээр нь ихэвчлэн гурван талст торонд байдаг: нүүр төвтэй ба биеийн төвтэй куб (fcc ба bcc тус тус) ба зургаан өнцөгт нягт савласан (hcp). Кристалуудын өөр нэг жишээ бол энгийн хоолны давс юм. Металлаас ялгаатай нь түүний зангилаа нь атом биш харин хлоридын анион эсвэл натрийн катион агуулдаг.
Уян хатан чанар нь бүх хатуу материалын гол шинж чанар юм
Бид хатуу зүйлд өчүүхэн ч гэсэн ачаалал өгснөөр түүнийг хэв гажилт үүсгэдэг. Заримдаа деформаци нь маш бага байж болох тул анзаарагдахгүй. Гэсэн хэдий ч бүх хатуу материалууд нь гадны ачаалал өгөх үед деформацид ордог. Хэрэв энэ ачааллыг арилгасны дараа деформаци алга болвол тэд материалын уян хатан байдлын тухай ярьдаг.
Уян хатан байдлын үзэгдлийн тод жишээ бол Гукийн хуулиар тодорхойлсон металл пүршний шахалт юм. F хүч ба үнэмлэхүй хурцадмал (шахалт) х-ээр дамжуулан энэ хуулийг дараах байдлаар бичнэ:
F=-kx.
Энд k тоо байна.
Бөөн металлын хувьд Хукийн хуулийг ихэвчлэн хэрэглэсэн гадаад стресс σ, харьцангуй деформаци ε ба Янгийн модуль E: -аар бичдэг.
σ=Eε.
Young-ийн модуль нь тодорхой материалын тогтмол утга юм.
Уян деформацийн хуванцар хэв гажилтаас ялгарах онцлог нь урвуу байдал юм. Уян хэв гажилтын үед хатуу бодисын хэмжээ харьцангуй өөрчлөлт 1% -иас ихгүй байна. Ихэнхдээ тэд 0.2% -ийн бүсэд оршдог. Хатуу бодисын уян хатан шинж чанар нь гаднах ачааллыг зогсоосны дараа материалын болор тор дахь бүтцийн элементүүдийн байрлалыг солихгүй байхаар тодорхойлогддог.
Хэрэв гадны механик хүч хангалттай их байвал биед үзүүлэх нөлөөлөл нь дууссаны дараа та үлдэгдэл хэв гажилтыг харж болно. Үүнийг хуванцар гэж нэрлэдэг.
Хатуу бодисын уян хатан чанар
Бид хатуу бодисын уян хатан шинж чанарыг авч үзсэн. Одоо тэдний уян хатан байдлын шинж чанарууд руу шилжье. Алхаар хадаас цохих юм бол хавтгайрдаг гэдгийг олон хүн мэддэг, ажигласан байдаг. Энэ бол хуванцар хэв гажилтын жишээ юм. Атомын түвшинд энэ нь нарийн төвөгтэй процесс юм. Аморф биетэд хуванцар хэв гажилт үүсэх боломжгүй тул шил цохиход деформацид ордоггүй, харин нурдаг.
Хатуу бие ба тэдгээрийн хуванцараар деформаци хийх чадвар нь талст бүтэцээс хамаарна. Эргэшгүй хэв гажилт нь болорын эзэлхүүн дэх тусгай атомын цогцолборуудын хөдөлгөөний улмаас үүсдэг бөгөөд үүнийг дислокаци гэж нэрлэдэг. Сүүлийнх нь хоёр төрлийн байж болно (хөөгийн ба шураг).
Бүх цул материалаас металлууд нь хамгийн их уян хатан чанартай байдаг, учир нь тэдгээр нь орон зайд янз бүрийн өнцгөөр чиглүүлсэн олон тооны гулсалтын хавтгайг үүсгэдэг. Үүний эсрэгээр ковалент эсвэл ионы холбоо бүхий материалууд хэврэг байх болно. Эдгээрийг хамааруулж болноүнэт чулуу эсвэл дурдсан хоолны давс.
Хэврэг, хатуулаг
Хэрэв та ямар нэгэн хатуу материалд гадны хүч түрхэж байвал эрт орой хэзээ нэгэн цагт тэр нь нурах болно. Хоёр төрлийн устгал байдаг:
- эмзэг;
- наалдамхай.
Эхнийх нь хагарлын харагдах байдал, хурдацтай өсөлтөөр тодорхойлогддог. Хэврэг хугарал нь үйлдвэрлэлд гамшгийн үр дагаварт хүргэдэг тул материал, тэдгээрийн ашиглалтын нөхцлийг ашиглахыг хичээдэг бөгөөд энэ тохиолдолд материалыг устгах уян хатан байдаг. Сүүлийнх нь хагарал удаан ургаж, эвдрэхээс өмнө их хэмжээний энергийг шингээдэг онцлогтой.
Материал бүрийн хувьд хэврэг-хувирмал шилжилтийг тодорхойлдог температур байдаг. Ихэнх тохиолдолд температур буурах нь хугарлыг уян хатан байдлаас хэврэг болгон өөрчилдөг.
Цикл болон байнгын ачаалал
Инженер, физикийн шинжлэх ухаанд хатуу биетүүдийн шинж чанарыг мөн тэдгээрт үзүүлэх ачааллын төрлөөр тодорхойлдог. Тиймээс материалд тогтмол мөчлөгийн нөлөөлөл (жишээлбэл, хурцадмал шахалт) нь ядаргааны эсэргүүцэл гэж нэрлэгддэг. Энэ нь тухайн материал нь тодорхой хэмжээний стрессийг хэдэн мөчлөгт хэрэглэхэд эвдрэлгүйгээр тэсвэрлэх баталгаатайг харуулдаг.
Материалын ядаргааг мөн тогтмол ачааллын дор судалдаг бөгөөд цаг хугацааны суналтын хурдыг хэмждэг.
Материалын хатуулаг
Хатуу бодисын чухал механик шинж чанаруудын нэг бол хатуулаг юм. Тэр тодорхойлдогМатериалын гадны биетийг оруулахаас урьдчилан сэргийлэх чадвар. Эмпирик байдлаар хоёр биеийн аль нь илүү хэцүү болохыг тодорхойлох нь маш энгийн. Зөвхөн нэгийг нь нөгөөгөөр нь маажих хэрэгтэй. Алмаз бол хамгийн хатуу талст юм. Энэ нь бусад материалыг маажих болно.
Бусад механик шинж чанарууд
Хатуу материал нь дээр дурдсанаас бусад механик шинж чанартай байдаг. Бид тэдгээрийг товч жагсаав:
- уян хатан чанар - янз бүрийн хэлбэрийг авах чадвар;
- уян хатан чанар - нимгэн утас болгон сунгах чадвар;
- нугалах, мушгих гэх мэт тусгай хэлбэрийн хэв гажилтыг эсэргүүцэх чадвар.
Тиймээс хатуу бодисын микроскопийн бүтэц нь шинж чанарыг нь ихээхэн тодорхойлдог.
