Feststoff stellt einen der vier Aggregatzustände dar, in denen sich die Materie um uns herum befinden kann. In diesem Artikel werden wir untersuchen, welche mechanischen Eigenschaften Feststoffen inhärent sind, unter Berücksichtigung der Besonderheiten ihrer inneren Struktur.
Was ist ein festes Material?
Vielleicht kann jeder diese Frage beantworten. Ein Stück Eisen, ein Computer, Besteck, Autos, Flugzeuge, Stein, Schnee sind alles Beispiele für Festkörper. Physikalisch wird unter dem festen Aggregatzustand der Materie ihre Fähigkeit verstanden, ihre Form und ihr Volumen unter verschiedenen mechanischen Einflüssen beizubeh alten. Es sind diese mechanischen Eigenschaften von Festkörpern, die sie von Gasen, Flüssigkeiten und Plasmen unterscheiden. Beachten Sie, dass die Flüssigkeit auch Volumen behält (inkompressibel ist).
Die obigen Beispiele für feste Materialien werden helfen, klarer zu verstehen, welche wichtige Rolle sie für das menschliche Leben und die technologische Entwicklung der Gesellschaft spielen.
Es gibt mehrere physikalische und chemische Disziplinen, die den betrachteten Zustand der Materie untersuchen. Wir listen nur die wichtigsten auf:
- feste PhysikKörper;
- Verformungsmechanik;
- Materialwissenschaften;
- Feststoffchemie.
Struktur harter Materialien
Bevor man sich mit den mechanischen Eigenschaften von Festkörpern beschäftigt, sollte man sich mit ihrer inneren Struktur auf atomarer Ebene vertraut machen.
Die Vielf alt der festen Materialien in ihrer Struktur ist groß. Dennoch gibt es eine universelle Klassifizierung, die auf dem Kriterium der Periodizität der Anordnung der Elemente (Atome, Moleküle, Atomcluster) basiert, aus denen der Körper besteht. Nach dieser Einteilung werden alle Feststoffe wie folgt eingeteilt:
- kristallin;
- amorph.
Fangen wir mit dem zweiten an. Ein amorpher Körper hat keine geordnete Struktur. Atome oder Moleküle darin sind zufällig angeordnet. Dieses Merkmal führt zur Isotropie der Eigenschaften von amorphen Materialien, dh die Eigenschaften hängen nicht von der Richtung ab. Das auffälligste Beispiel für einen amorphen Körper ist Glas.
Kristalline Körper oder Kristalle haben im Gegensatz zu amorphen Materialien eine räumlich geordnete Anordnung von Strukturelementen. Auf der Mikroskala können sie zwischen Kristallebenen und parallelen Atomreihen unterscheiden. Aufgrund dieser Struktur sind die Kristalle anisotrop. Darüber hinaus manifestiert sich die Anisotropie nicht nur in den mechanischen Eigenschaften von Festkörpern, sondern auch in den Eigenschaften von elektrischen, elektromagnetischen und anderen. Beispielsweise kann ein Turmalinkristall Schwingungen einer Lichtwelle nur in eine Richtung übertragen, was zuPolarisation elektromagnetischer Strahlung.
Beispiele für Kristalle sind fast alle metallischen Materialien. Sie werden am häufigsten in drei Kristallgittern gefunden: flächenzentriert und raumzentriert kubisch (fcc bzw. bcc) und hexagonal dicht gepackt (hcp). Ein weiteres Beispiel für Kristalle ist gewöhnliches Speisesalz. Im Gegensatz zu Metallen enth alten seine Knoten keine Atome, sondern Chloridanionen oder Natriumkationen.
Elastizität ist die Haupteigenschaft aller harten Materialien
Indem wir selbst die kleinste Spannung auf einen Festkörper anwenden, bewirken wir, dass er sich verformt. Manchmal kann die Verformung so gering sein, dass sie nicht bemerkt werden kann. Alle festen Materialien verformen sich jedoch, wenn eine äußere Last aufgebracht wird. Wenn nach dem Entfernen dieser Belastung die Verformung verschwindet, spricht man von der Elastizität des Materials.
Ein anschauliches Beispiel für das Phänomen der Elastizität ist die Kompression einer Metallfeder, die durch das Hookesche Gesetz beschrieben wird. Durch die Kraft F und die absolute Spannung (Druck) x wird dieses Gesetz wie folgt geschrieben:
F=-kx.
Hier ist k eine Zahl.
Bei massiven Metallen wird das Hookesche Gesetz normalerweise in Bezug auf die angelegte äußere Spannung σ, die relative Dehnung ε und den Elastizitätsmodul E geschrieben:
σ=Eε.
Der Elastizitätsmodul ist ein konstanter Wert für ein bestimmtes Material.
Ein Merkmal der elastischen Verformung, das sie von der plastischen Verformung unterscheidet, ist die Reversibilität. Relative Größenänderungen von Festkörpern unter elastischer Verformung überschreiten nicht 1 %. Am häufigsten liegen sie im Bereich von 0,2 %. Die elastischen Eigenschaften von Festkörpern sind dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen von Strukturelementen im Kristallgitter des Materials nach Beendigung der äußeren Belastung nicht verschoben werden.
Wenn die äußere mechanische Kraft groß genug ist, können Sie nach Beendigung ihrer Wirkung auf den Körper die Restverformung sehen. Es heißt Plastik.
Plastizität von Festkörpern
Wir haben die elastischen Eigenschaften von Festkörpern betrachtet. Kommen wir nun zu den Eigenschaften ihrer Plastizität. Viele Menschen wissen und haben beobachtet, dass, wenn man mit einem Hammer auf einen Nagel schlägt, dieser platt wird. Dies ist ein Beispiel für plastische Verformung. Auf atomarer Ebene ist es ein komplexer Prozess. Bei amorphen Körpern kann keine plastische Verformung auftreten, daher verformt sich das Glas nicht, wenn es getroffen wird, sondern kollabiert.
Festkörper und ihre Fähigkeit, sich plastisch zu verformen, hängt von der Kristallstruktur ab. Die betrachtete irreversible Verformung tritt aufgrund der Bewegung spezieller Atomkomplexe im Volumen des Kristalls auf, die als Versetzungen bezeichnet werden. Letzteres kann von zwei Arten sein (Rand und Schraube).
Metalle haben von allen festen Stoffen die größte Plastizität, da sie eine Vielzahl von unter verschiedenen Winkeln im Raum gerichteten Gleitebenen für Versetzungen bereitstellen. Umgekehrt werden Materialien mit kovalenten oder ionischen Bindungen spröde. Diese können zugeschrieben werdenEdelsteine oder das erwähnte Tafelsalz.
Sprödigkeit und Zähigkeit
Wenn du ständig eine äußere Kraft auf ein festes Material ausübst, wird es früher oder später zusammenbrechen. Es gibt zwei Arten der Zerstörung:
- zerbrechlich;
- viskos.
Die erste ist durch das Auftreten und schnelle Wachstum von Rissen gekennzeichnet. Sprödbrüche führen zu katastrophalen Folgen in der Produktion, daher versucht man Materialien und deren Betriebsbedingungen zu verwenden, unter denen die Zerstörung des Materials duktil wäre. Letzteres zeichnet sich durch ein langsames Risswachstum und eine große Energieaufnahme vor dem Versagen aus.
Für jeden Werkstoff gibt es eine Temperatur, die den spröd-duktilen Übergang charakterisiert. In den meisten Fällen verändert eine Temperaturabnahme den Bruch von duktil zu spröde.
Zyklische und Dauerlasten
In den Ingenieurwissenschaften und der Physik werden die Eigenschaften von Festkörpern auch durch die Art der Belastung charakterisiert, der sie ausgesetzt sind. Eine konstante zyklische Einwirkung auf das Material (z. B. Zug-Druck) wird also durch die sogenannte Ermüdungsfestigkeit beschrieben. Sie zeigt an, wie viele Zyklen einer bestimmten Belastung das Material garantiert übersteht, ohne zu brechen.
Die Ermüdung eines Materials wird auch unter konstanter Belastung untersucht, indem die Dehnungsrate über die Zeit gemessen wird.
Materialhärte
Eine der wichtigsten mechanischen Eigenschaften von Festkörpern ist die Härte. Sie definiertdie Fähigkeit des Materials, das Eindringen eines Fremdkörpers zu verhindern. Empirisch lässt sich sehr einfach feststellen, welcher der beiden Körper härter ist. Es ist nur notwendig, einen von ihnen mit dem anderen zu kratzen. Diamant ist der härteste Kristall. Es zerkratzt jedes andere Material.
Sonstige mechanische Eigenschaften
Harte Materialien haben einige andere mechanische Eigenschaften als die oben genannten. Wir listen sie kurz auf:
- Duktilität - die Fähigkeit, verschiedene Formen anzunehmen;
- Duktilität - die Fähigkeit, sich zu dünnen Fäden zu dehnen;
- Widerstandsfähigkeit gegen besondere Verformungen wie Biegen oder Verdrehen.
Die mikroskopische Struktur von Festkörpern bestimmt also weitgehend ihre Eigenschaften.
