Vast materiaal vertegenwoordigt een van de vier aggregatietoestanden waarin de materie om ons heen kan zijn. In dit artikel zullen we bekijken welke mechanische eigenschappen inherent zijn aan vaste stoffen, rekening houdend met de eigenaardigheden van hun interne structuur.
Wat is een vast materiaal?
Misschien kan iedereen deze vraag beantwoorden. Een stuk ijzer, een computer, bestek, auto's, vliegtuigen, steen, sneeuw zijn allemaal voorbeelden van vaste stoffen. Vanuit een fysiek oogpunt wordt de vaste geaggregeerde toestand van materie begrepen als het vermogen om zijn vorm en volume te behouden onder verschillende mechanische invloeden. Het zijn deze mechanische eigenschappen van vaste stoffen die ze onderscheiden van gassen, vloeistoffen en plasma's. Merk op dat de vloeistof ook volume behoudt (is onsamendrukbaar).
De bovenstaande voorbeelden van vaste materialen zullen helpen om beter te begrijpen wat een belangrijke rol ze spelen voor het menselijk leven en de technologische ontwikkeling van de samenleving.
Er zijn verschillende fysische en chemische disciplines die de toestand van de materie bestuderen. We noemen alleen de belangrijkste:
- vaste fysicalichaam;
- vervormingsmechanica;
- materiaalwetenschap;
- vaste chemie.
Structuur van harde materialen
Alvorens de mechanische eigenschappen van vaste stoffen in overweging te nemen, moet men kennis maken met hun interne structuur op atomair niveau.
De verscheidenheid aan vaste materialen in hun structuur is geweldig. Niettemin is er een universele classificatie, die is gebaseerd op het criterium van de periodiciteit van de rangschikking van de elementen (atomen, moleculen, atoomclusters) waaruit het lichaam bestaat. Volgens deze classificatie zijn alle vaste stoffen als volgt onderverdeeld:
- kristallijn;
- amorf.
Laten we beginnen met de tweede. Een amorf lichaam heeft geen geordende structuur. Atomen of moleculen erin zijn willekeurig gerangschikt. Dit kenmerk leidt tot de isotropie van de eigenschappen van amorfe materialen, dat wil zeggen dat de eigenschappen niet afhankelijk zijn van de richting. Het meest opvallende voorbeeld van een amorf lichaam is glas.
Kristallijne lichamen of kristallen hebben, in tegenstelling tot amorfe materialen, een rangschikking van structurele elementen die in de ruimte zijn geordend. Op microschaal kunnen ze onderscheid maken tussen kristallijne vlakken en parallelle atoomrijen. Door deze structuur zijn de kristallen anisotroop. Bovendien manifesteert anisotropie zich niet alleen in de mechanische eigenschappen van vaste stoffen, maar ook in de eigenschappen van elektrische, elektromagnetische en andere. Een toermalijnkristal kan bijvoorbeeld alleen trillingen van een lichtgolf in één richting overbrengen, wat leidt tot:polarisatie van elektromagnetische straling.
Voorbeelden van kristallen zijn bijna alle metalen materialen. Ze worden meestal gevonden in drie kristalroosters: face-centered en body-centered cubic (respectievelijk fcc en bcc) en hexagonaal close-packed (hcp). Een ander voorbeeld van kristallen is gewoon keukenzout. In tegenstelling tot metalen bevatten de knopen geen atomen, maar chloride-anionen of natriumkationen.
Elasticiteit is de belangrijkste eigenschap van alle harde materialen
Door zelfs de kleinste spanning op een vaste stof uit te oefenen, zorgen we ervoor dat deze vervormt. Soms kan de vervorming zo klein zijn dat deze niet opgemerkt kan worden. Alle vaste materialen vervormen echter wanneer een externe belasting wordt uitgeoefend. Als na het wegnemen van deze belasting de vervorming verdwijnt, spreekt men van de elasticiteit van het materiaal.
Een levendig voorbeeld van het fenomeen elasticiteit is de compressie van een metalen veer, die wordt beschreven door de wet van Hooke. Via de kracht F en de absolute spanning (compressie) x wordt deze wet als volgt geschreven:
F=-kx.
Hier is k een getal.
In het geval van bulkmetalen wordt de wet van Hooke meestal geschreven in termen van de toegepaste externe spanning σ, relatieve rek ε en Young's modulus E:
σ=Eε.
Young's modulus is een constante waarde voor een bepaald materiaal.
Kenmerk van elastische vervorming, die het onderscheidt van plastische vervorming, is omkeerbaarheid. Relatieve veranderingen in de grootte van vaste stoffen onder elastische vervorming zijn niet groter dan 1%. Meestal liggen ze in de buurt van 0,2%. De elastische eigenschappen van vaste stoffen worden gekenmerkt door de afwezigheid van verplaatsing van de posities van structurele elementen in het kristalrooster van het materiaal na beëindiging van de externe belasting.
Als de externe mechanische kracht groot genoeg is, kun je na beëindiging van zijn actie op het lichaam de resterende vervorming zien. Het heet plastic.
Plasticiteit van vaste stoffen
We hebben de elastische eigenschappen van vaste stoffen overwogen. Laten we nu verder gaan met de kenmerken van hun plasticiteit. Veel mensen weten en hebben opgemerkt dat als je met een hamer op een spijker slaat, deze plat wordt. Dit is een voorbeeld van plastische vervorming. Op atomair niveau is het een complex proces. Plastische vervorming kan niet optreden in amorfe lichamen, dus het glas vervormt niet wanneer het wordt geraakt, maar stort in.
Vaste lichamen en hun vermogen om plastisch te vervormen hangt af van de kristallijne structuur. De beschouwde onomkeerbare vervorming treedt op als gevolg van de beweging van speciale atomaire complexen in het volume van het kristal, die dislocaties worden genoemd. De laatste kan van twee soorten zijn (marginaal en schroef).
Van alle vaste materialen hebben metalen de grootste plasticiteit, omdat ze een groot aantal glijvlakken bieden die onder verschillende hoeken in de ruimte zijn gericht voor dislocaties. Omgekeerd zullen materialen met covalente of ionische bindingen broos zijn. Deze kunnen worden toegeschrevenedelstenen of het genoemde tafelzout.
Broosheid en taaiheid
Als je constant een externe kracht uitoefent op een vast materiaal, zal het vroeg of laat instorten. Er zijn twee soorten vernietiging:
- fragiel;
- viskeus.
De eerste wordt gekenmerkt door het verschijnen en de snelle groei van scheuren. Brosse breuken leiden tot catastrofale gevolgen in de productie, daarom proberen ze materialen en hun bedrijfsomstandigheden te gebruiken waaronder de vernietiging van het materiaal ductiel zou zijn. Dit laatste wordt gekenmerkt door langzame scheurgroei en absorptie van een grote hoeveelheid energie voordat het bezwijkt.
Voor elk materiaal is er een temperatuur die de bros-ductiele overgang kenmerkt. In de meeste gevallen verandert een temperatuurdaling de breuk van ductiel in bros.
Cyclische en permanente belastingen
In techniek en natuurkunde worden de eigenschappen van vaste stoffen ook gekenmerkt door het soort belasting dat erop wordt uitgeoefend. Een constant cyclisch effect op het materiaal (bijvoorbeeld spanningscompressie) wordt dus beschreven door de zogenaamde vermoeiingsweerstand. Het laat zien hoeveel cycli van toepassing van een bepaalde hoeveelheid spanning het materiaal gegarandeerd kan weerstaan zonder te breken.
Vermoeidheid van een materiaal wordt ook bestudeerd onder constante belasting, door de reksnelheid in de tijd te meten.
Hardheid van materialen
Een van de belangrijke mechanische eigenschappen van vaste stoffen is hardheid. Ze definieerthet vermogen van het materiaal om het binnendringen van een vreemd lichaam erin te voorkomen. Empirisch is het heel eenvoudig om te bepalen welke van de twee lichamen harder is. Het is alleen nodig om de ene met de andere te krabben. Diamant is het hardste kristal. Het zal elk ander materiaal krassen.
Andere mechanische eigenschappen
Harde materialen hebben andere mechanische eigenschappen dan hierboven vermeld. We sommen ze kort op:
- ductiliteit - het vermogen om verschillende vormen aan te nemen;
- ductiliteit - het vermogen om uit te rekken tot dunne draden;
- vermogen om weerstand te bieden aan speciale soorten vervorming, zoals buigen of draaien.
De microscopische structuur van vaste stoffen bepa alt dus grotendeels hun eigenschappen.
