Katı malzeme, etrafımızdaki maddenin olabileceği dört kümelenme durumundan birini temsil eder. Bu makalede, katıların iç yapılarının özelliklerini dikkate alarak hangi mekanik özelliklerin doğasında olduğunu ele alacağız.
Katı malzeme nedir?
Belki herkes bu soruya cevap verebilir. Bir parça demir, bir bilgisayar, çatal bıçak takımı, arabalar, uçaklar, taş, kar, katı maddelere örnektir. Fiziksel bir bakış açısından, maddenin katı toplam hali, çeşitli mekanik etkiler altında şeklini ve hacmini koruma yeteneği olarak anlaşılır. Katıları gazlardan, sıvılardan ve plazmalardan ayıran bu mekanik özelliklerdir. Akışkanın hacmini de koruduğunu (sıkıştırılamaz) unutmayın.
Yukarıdaki katı malzeme örnekleri, insan yaşamı ve toplumun teknolojik gelişimi için ne kadar önemli bir rol oynadıklarını daha net anlamaya yardımcı olacaktır.
Maddenin durumunu inceleyen birkaç fiziksel ve kimyasal disiplin vardır. Bunlardan yalnızca en önemlilerini listeliyoruz:
- katı fizikvücut;
- deformasyon mekaniği;
- malzeme bilimi;
- katı kimya.
Sert malzemelerin yapısı
Katıların mekanik özelliklerini düşünmeden önce, atomik düzeyde iç yapıları hakkında bilgi sahibi olmak gerekir.
Yapılarındaki katı malzemelerin çeşitliliği harika. Bununla birlikte, vücudu oluşturan elementlerin (atomlar, moleküller, atom kümeleri) düzenlenmesinin periyodikliği kriterine dayanan evrensel bir sınıflandırma vardır. Bu sınıflandırmaya göre, tüm katılar aşağıdakilere ayrılır:
- kristal;
- amorf.
İkincisiyle başlayalım. Amorf bir cismin düzenli bir yapısı yoktur. İçindeki atomlar veya moleküller rastgele düzenlenmiştir. Bu özellik, amorf malzemelerin özelliklerinin izotropisine yol açar, yani özellikler yöne bağlı değildir. Amorf bir cismin en çarpıcı örneği camdır.
Kristal cisimler veya kristaller, amorf malzemelerden farklı olarak, uzayda sıralanan yapısal elemanların bir düzenine sahiptir. Mikro ölçekte, kristal düzlemler ve paralel atom sıraları arasında ayrım yapabilirler. Bu yapı nedeniyle kristaller anizotropiktir. Ayrıca, anizotropi kendini yalnızca katıların mekanik özelliklerinde değil, aynı zamanda elektriksel, elektromanyetik ve diğerlerinin özelliklerinde de gösterir. Örneğin, bir turmalin kristali, bir ışık dalgasının titreşimlerini yalnızca bir yönde iletebilir, bu da aşağıdakilere yol açar:elektromanyetik radyasyonun polarizasyonu.
Kristal örneklerinin neredeyse tamamı metalik malzemelerdir. En sık olarak üç kristal kafeste bulunurlar: yüz merkezli ve gövde merkezli kübik (sırasıyla fcc ve bcc) ve altıgen sıkı paketli (hcp). Kristallere başka bir örnek, yaygın sofra tuzudur. Metallerin aksine, düğümleri atom değil, klorür anyonları veya sodyum katyonları içerir.
Elastikiyet, tüm sert malzemelerin ana özelliğidir
Bir katıya en küçük stresi bile uygulayarak onun deforme olmasını sağlarız. Bazen deformasyon fark edilemeyecek kadar küçük olabilir. Ancak, tüm katı malzemeler harici bir yük uygulandığında deforme olur. Bu yükü kaldırdıktan sonra deformasyon kaybolursa, malzemenin esnekliğinden bahsederler.
Elastikiyet olgusunun canlı bir örneği, Hooke yasasıyla tanımlanan metal bir yayın sıkıştırılmasıdır. F kuvveti ve mutlak gerilim (sıkıştırma) x aracılığıyla, bu yasa şu şekilde yazılır:
F=-kx.
Burada k bir sayıdır.
Yığın metaller söz konusu olduğunda, Hooke yasası genellikle uygulanan dış gerilim σ, bağıl gerinim ε ve Young modülü E cinsinden yazılır:
σ=Eε.
Young modülü, belirli bir malzeme için sabit bir değerdir.
Elastik deformasyonu plastik deformasyondan ayıran özelliği tersinir olmasıdır. Elastik deformasyon altında katıların boyutundaki nispi değişiklikler %1'i geçmez. Çoğu zaman% 0.2 bölgesinde bulunurlar. Katıların elastik özellikleri, dış yükün sona ermesinden sonra malzemenin kristal kafesindeki yapısal elemanların konumlarının yer değiştirmesinin olmaması ile karakterize edilir.
Dış mekanik kuvvet yeterince büyükse, vücut üzerindeki etkisinin sona ermesinden sonra, artık deformasyonu görebilirsiniz. Buna plastik denir.
Katıların plastisitesi
Katıların elastik özelliklerini düşündük. Şimdi plastisitelerinin özelliklerine geçelim. Birçok kişi, bir çiviye çekiçle vurursanız düzleştiğini bilir ve gözlemlemiştir. Bu plastik deformasyona bir örnektir. Atom düzeyinde, bu karmaşık bir süreçtir. Amorf cisimlerde plastik deformasyon meydana gelmez, bu nedenle cam çarptığında deforme olmaz, çöker.
Katı cisimler ve plastik olarak deforme olma yetenekleri kristal yapıya bağlıdır. Geri dönüşü olmayan deformasyon, kristalin hacmindeki dislokasyon adı verilen özel atomik komplekslerin hareketi nedeniyle meydana gelir. İkincisi iki tip olabilir (marjinal ve vida).
Tüm katı malzemeler arasında metaller en büyük plastisiteye sahiptir, çünkü yer değiştirmeler için uzayda farklı açılara yönlendirilmiş çok sayıda kayma düzlemi sağlarlar. Tersine, kovalent veya iyonik bağlara sahip malzemeler kırılgan olacaktır. Bunlar atfedilebilirdeğerli taşlar veya bahsedilen sofra tuzu.
Kırılganlık ve tokluk
Herhangi bir katı malzemeye sürekli olarak harici bir kuvvet uygularsanız, er ya da geç çökecektir. İki tür yıkım vardır:
- kırılgan;
- viskoz.
İlki, çatlakların görünümü ve hızlı büyümesi ile karakterize edilir. Gevrek kırılmalar üretimde feci sonuçlara yol açar, bu nedenle malzemenin tahribatının sünek olacağı malzemeleri ve çalışma koşullarını kullanmaya çalışırlar. İkincisi, yavaş çatlak büyümesi ve başarısızlıktan önce büyük miktarda enerjinin emilmesi ile karakterize edilir.
Her malzeme için gevrek-sünek geçişi karakterize eden bir sıcaklık vardır. Çoğu durumda, sıcaklıktaki bir düşüş kırılmayı sünekten gevrek hale getirir.
Döngüsel ve kalıcı yükler
Mühendislik ve fizikte, katıların özellikleri, onlara uygulanan yükün türü ile de karakterize edilir. Bu nedenle, malzeme üzerinde sabit bir döngüsel etki (örneğin, gerilim-sıkıştırma) yorulma direnci olarak adlandırılır. Malzemenin kırılmadan dayanmasının garanti edildiği belirli bir miktarda stresin kaç döngü uygulama döngüsünü gösterir.
Bir malzemenin yorulması, zaman içindeki gerinim oranı ölçülerek sabit yük altında da incelenir.
Malzemelerin sertliği
Katıların önemli mekanik özelliklerinden biri sertliktir. o tanımlarmalzemenin içine yabancı bir cismin girmesini önleme yeteneği. Ampirik olarak, iki cisimden hangisinin daha zor olduğunu belirlemek çok basittir. Sadece birini diğeriyle kaşımak gerekir. Elmas en sert kristaldir. Diğer tüm malzemeleri çizebilir.
Diğer mekanik özellikler
Sert malzemelerin yukarıda belirtilenlerin dışında bazı mekanik özellikleri vardır. Bunları kısaca listeliyoruz:
- süneklik - çeşitli şekiller alma yeteneği;
- süneklik - ince ipler halinde esneme yeteneği;
- bükülme veya bükülme gibi özel deformasyon türlerine direnme yeteneği.
Böylece katıların mikroskobik yapısı, özelliklerini büyük ölçüde belirler.
