Катуу материал бизди курчап турган материя болушу мүмкүн болгон агрегаттын төрт абалынын бирин билдирет. Бул макалада биз алардын ички түзүлүшүнүн өзгөчөлүктөрүн эске алуу менен катуу заттарга кандай механикалык касиеттер таандык экенин карап чыгабыз.
Катуу материал деген эмне?
Бул суроого ар бир адам жооп бере алат. Бир кесим темир, компьютер, идиш-аяк, унаалар, учактар, таш, кар катуу заттардын мисалдары. Физикалык көз караштан алганда, заттын катуу агрегаттык абалы деп анын ар кандай механикалык таасирлер астында формасын жана көлөмүн сактап калуу жөндөмдүүлүгү түшүнүлөт. Катуу заттардын ушул механикалык касиеттери аларды газдардан, суюктуктардан жана плазмалардан айырмалап турат. Суюктуктун көлөмүн да сактай турганын эске алыңыз (кысылбайт).
Жогоруда келтирилген катуу материалдардын мисалдары алар адамдын жашоосунда жана коомдун технологиялык өнүгүүсүндө кандай маанилүү роль ойноорун айкыныраак түшүнүүгө жардам берет.
Каралып жаткан заттын абалын изилдөөчү бир нече физикалык жана химиялык дисциплиналар бар. Биз алардын эң маанилүүлөрүн гана тизмектейбиз:
- катуу физикадене;
- деформация механикасы;
- материал таануу;
- катуу химия.
Катуу материалдардын түзүлүшү
Катуу заттардын механикалык касиеттерин кароодон мурун алардын атомдук деңгээлдеги ички түзүлүшү менен таанышуу керек.
Алардын структурасындагы катуу материалдардын ар түрдүүлүгү чоң. Ошого карабастан, денени түзгөн элементтердин (атомдордун, молекулалардын, атомдук кластерлердин) жайгашуу мезгилдүүлүгүнүн критерийине негизделген универсалдуу классификация бар. Бул классификацияга ылайык бардык катуу заттар төмөндөгүлөргө бөлүнөт:
- кристалдуу;
- аморфтук.
Экинчиден баштайлы. Аморфтук дененин тартиптүү түзүлүшү жок. Андагы атомдор же молекулалар туш келди тизилген. Бул өзгөчөлүк аморфтук материалдардын касиеттеринин изотропиясына алып келет, башкача айтканда касиеттери багытка көз каранды эмес. Аморфтук дененин эң таң калыштуу мисалы - айнек.
Кристаллдык денелер же кристаллдар аморфтук материалдардан айырмаланып, мейкиндикте иреттелген структуралык элементтердин тизилишине ээ. Микромасштабда алар кристаллдык тегиздиктер менен параллелдүү атомдук катарларды айырмалай алышат. Бул түзүлүштөн улам кристаллдар анизотроптук болуп саналат. Анын үстүнө анизотропия катуу заттардын механикалык касиетинде гана эмес, электрдик, электромагниттик жана башка касиеттерде да көрүнөт. Мисалы, турмалиндик кристалл жарык толкунунун термелүүсүн бир багытта гана өткөрө алат, булэлектромагниттик нурлануунун поляризациясы.
Кристаллдардын мисалы дээрлик бардык металлдык материалдар. Алар көбүнчө үч кристалл тордо кездешет: бет-борбор жана дене-борбордук куб (тиешелүүлүгүнө жараша Fcc жана Bcc) жана алты бурчтуу тыгыз пакеттелген (hcp). Кристаллдардын дагы бир мисалы - кадимки ашкана тузу. Металдардан айырмаланып, анын түйүндөрүндө атомдор эмес, хлорид аниондору же натрий катиондору бар.
Ийкемдүүлүк - бардык катуу материалдардын негизги касиети
Катуу нерсеге эң кичинекей стрессти колдонуу менен анын деформацияланышына себепкер болобуз. Кээде деформация ушунчалык кичинекей болушу мүмкүн, аны байкабай коюуга болбойт. Бирок, бардык катуу материалдар тышкы жүк колдонулганда деформацияланат. Эгерде бул жүктү алып салгандан кийин деформация жок болуп кетсе, анда алар материалдын ийкемдүүлүгү жөнүндө айтышат.
Ийкемдүүлүк кубулушунун ачык мисалы Гук мыйзамы менен сүрөттөлгөн металл пружинанын кысуу. F күчү жана абсолюттук чыңалуу (кысылуу) х аркылуу бул мыйзам төмөнкүчө жазылат:
F=-kx.
Бул жерде k бир сан.
Массалык металлдар үчүн Гук мыйзамы адатта колдонулган тышкы чыңалуу σ, салыштырмалуу деформация ε жана Янг модулу E: менен жазылат.
σ=Eε.
Янгдын модулу – бул белгилүү бир материал үчүн туруктуу маани.
Эластикалык деформациянын пластикалык деформациядан айырмалоочу өзгөчөлүгү – реверстүүлүк. Серпилгичтик деформация учурунда катуу нерселердин өлчөмдөрүнүн салыштырмалуу өзгөрүүсү 1%тен ашпайт. Көбүнчө алар 0,2% га жакын жерде жатышат. Катуу заттардын серпилгичтик касиеттери тышкы жүк токтогондон кийин материалдын кристалл торлорунда структуралык элементтердин орундарынын жылышынын жоктугу менен мүнөздөлөт.
Эгер тышкы механикалык күч жетиштүү чоң болсо, анда анын денеге тийгизген таасири аяктагандан кийин, калдык деформацияны көрүүгө болот. Ал пластик деп аталат.
Катуу заттардын пластикасы
Биз катуу нерселердин серпилгич касиеттерин карап чыктык. Эми алардын пластикалык өзгөчөлүктөрүнө өтөбүз. Мыкты балка менен урсаң, ал тегиз болуп калаарын көптөр билет жана байкашкан. Бул пластикалык деформациянын мисалы. Атомдук деңгээлде бул татаал процесс. Аморфтук денелерде пластикалык деформация болушу мүмкүн эмес, ошондуктан айнек тийгенде деформацияланбай, кыйрап калат.
Катуу денелер жана алардын пластикалык деформацияга жөндөмдүүлүгү кристаллдык түзүлүшкө жараша болот. Каралып жаткан кайтарылгыс деформация кристаллдын көлөмүндөгү өзгөчө атомдук комплекстердин кыймылынан пайда болот, алар дислокация деп аталат. Акыркысы эки түрдүү болушу мүмкүн (маржиналдык жана буроо).
Бардык катуу материалдардын ичинен металлдар эң чоң пластикалык касиетке ээ, анткени алар дислокациялар үчүн мейкиндикте ар кандай бурчтарга багытталган көп сандагы жылма тегиздикти камсыздайт. Тескерисинче, коваленттик же иондук байланыштары бар материалдар морт болот. Буларды сыпаттаса болотасыл таштар же айтылган аш тузу.
Морттук жана бышыктык
Эгер кандайдыр бир катуу материалга тынымсыз сырттан күч колдонуп турсаңыз, анда ал эртеби-кечпи кыйрап калат. Кыйроонун эки түрү бар:
- морт;
- илешкек.
Биринчи жаракалардын пайда болушу жана тез өсүшү менен мүнөздөлөт. Морт жаракалар өндүрүштө катастрофалык кесепеттерге алып келет, ошондуктан алар материалдарды жана алардын иштөө шарттарын колдонууга аракет кылышат, анда материалдын бузулушу ийкемдүү болот. Акыркысы жаракалардын жай өсүшү жана бузулууга чейин энергиянын чоң көлөмүн сиңирүү менен мүнөздөлөт.
Ар бир материал үчүн морт-ийилгич өтүүнү мүнөздөгөн температура бар. Көпчүлүк учурларда, температуранын төмөндөшү сыныкты ийкемдүүлүктөн морттукка өзгөртөт.
Циклдик жана туруктуу жүктөр
Инженердик жана физикада катуу нерселердин касиеттери аларга жүктөлгөн жүктүн түрү менен да мүнөздөлөт. Ошентип, материалга туруктуу циклдик таасир (мисалы, чыңалуу-кысуу) чарчоо каршылыгы деп аталат. Ал белгилүү бир өлчөмдөгү стрессти колдонуунун канча циклинде материал бузулбастан туруштук бере аларын көрсөтөт.
Материалдын чарчоосу дагы туруктуу жүктө, убакыттын өтүшү менен деформациянын ылдамдыгын өлчөө аркылуу изилденет.
Материалдардын катуулугу
Катуу заттардын маанилүү механикалык касиеттеринин бири катуулук. Ал аныктайтматериалдын ага бөтөн дененин киришине жол бербөө жөндөмдүүлүгү. Эмпирикалык түрдө эки дененин кайсынысы кыйын экенин аныктоо өтө жөнөкөй. Алардын бирин экинчиси менен тырмап коюу гана керек. Алмаз эң катуу кристалл. Ал башка материалдарды тырмап салат.
Башка механикалык касиеттери
Катуу материалдар жогоруда белгиленгенден башка механикалык касиеттерге ээ. Биз аларды кыскача тизмелейбиз:
- ийкемдүүлүк - ар кандай формаларды алуу жөндөмдүүлүгү;
- ийкемдүүлүк - ичке жиптерге созуу жөндөмдүүлүгү;
- бүгүлүү же ийилиш сыяктуу деформациянын өзгөчө түрлөрүнө туруштук берүү жөндөмү.
Ошентип, катуу заттардын микроскопиялык түзүлүшү алардын касиеттерин негизинен аныктайт.
