Vật chất rắn thể hiện một trong bốn trạng thái tập hợp của vật chất xung quanh chúng ta. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét các đặc tính cơ học vốn có trong chất rắn, có tính đến các đặc điểm cấu tạo bên trong của chúng.
Vật liệu rắn là gì?
Có lẽ ai cũng trả lời được câu hỏi này. Một miếng sắt, một máy tính, dao kéo, ô tô, máy bay, đá, tuyết đều là những ví dụ về chất rắn. Theo quan điểm vật lý, trạng thái tập hợp rắn của vật chất được hiểu là khả năng giữ nguyên hình dạng và thể tích của nó dưới nhiều tác động cơ học khác nhau. Chính những đặc tính cơ học này của chất rắn giúp phân biệt chúng với chất khí, chất lỏng và plasmas. Lưu ý rằng chất lỏng cũng giữ lại thể tích (không thể nén được).
Những ví dụ trên về vật liệu rắn sẽ giúp hiểu rõ hơn vai trò quan trọng của chúng đối với đời sống con người và sự phát triển công nghệ của xã hội.
Có một số ngành vật lý và hóa học nghiên cứu trạng thái của vật chất đang được xem xét. Chúng tôi chỉ liệt kê những điều quan trọng nhất trong số đó:
- vật lý rắncơ thể;
- cơ học biến dạng;
- khoa học vật liệu;
- hóa rắn.
Cấu trúc của vật liệu cứng
Trước khi xem xét các tính chất cơ học của chất rắn, người ta nên làm quen với cấu trúc bên trong của chúng ở cấp độ nguyên tử.
Sự đa dạng của các vật liệu rắn trong cấu trúc của chúng là rất tốt. Tuy nhiên, có một cách phân loại phổ quát, dựa trên tiêu chí về tính tuần hoàn của sự sắp xếp của các nguyên tố (nguyên tử, phân tử, cụm nguyên tử) tạo nên cơ thể. Theo cách phân loại này, tất cả các chất rắn được chia thành các loại sau:
- kết tinh;
- vô định hình.
Hãy bắt đầu với thứ hai. Cơ thể vô định hình không có bất kỳ cấu trúc có trật tự nào. Các nguyên tử hoặc phân tử trong nó được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Đặc điểm này dẫn đến tính chất đẳng hướng của các thuộc tính của vật liệu vô định hình, tức là các đặc tính không phụ thuộc vào hướng. Ví dụ nổi bật nhất về cơ thể vô định hình là thủy tinh.
Các thể hoặc tinh thể kết tinh, không giống như vật liệu vô định hình, có sự sắp xếp các phần tử cấu trúc có trật tự trong không gian. Trên kính hiển vi, chúng có thể phân biệt giữa các mặt phẳng tinh thể và các hàng nguyên tử song song. Do cấu trúc này, các tinh thể có tính dị hướng. Hơn nữa, tính dị hướng không chỉ thể hiện ở các tính chất cơ học của chất rắn, mà còn ở các tính chất điện, điện từ và các đặc tính khác. Ví dụ, một tinh thể tourmaline chỉ có thể truyền dao động của sóng ánh sáng theo một hướng, dẫn đếnsự phân cực của bức xạ điện từ.
Ví dụ về tinh thể hầu như là tất cả các vật liệu kim loại. Chúng thường được tìm thấy nhiều nhất trong ba mạng tinh thể: lập phương tâm mặt và lập phương tâm thân (fcc và bcc, tương ứng) và cận lục giác (hcp). Một ví dụ khác về tinh thể là muối ăn thông thường. Không giống như kim loại, các nút của nó không chứa các nguyên tử mà là các anion clorua hoặc cation natri.
Tính đàn hồi là đặc tính chính của tất cả các vật liệu cứng
Bằng cách áp dụng ứng suất thậm chí nhỏ nhất lên vật rắn, chúng ta làm cho vật rắn biến dạng. Đôi khi biến dạng có thể rất nhỏ đến mức không thể nhận thấy được. Tuy nhiên, tất cả các vật liệu rắn đều biến dạng khi có tải trọng bên ngoài. Nếu sau khi loại bỏ tải trọng này, biến dạng biến mất, thì chúng nói lên tính đàn hồi của vật liệu.
Một ví dụ sinh động về hiện tượng đàn hồi là sự nén của một lò xo kim loại, được mô tả bằng định luật Hooke. Thông qua lực F và lực căng (nén) tuyệt đối x, định luật này được viết như sau:
F=-kx.
Đây k là số nào đó.
Trong trường hợp kim loại khối, định luật Hooke thường được viết dưới dạng ứng suất bên ngoài tác dụng σ, biến dạng tương đối ε và môđun của Young E:
σ=Eε.
Mô-đunYoung là một giá trị không đổi cho một vật liệu cụ thể.
Tính năng của biến dạng đàn hồi, phân biệt với biến dạng dẻo, là tính thuận nghịch. Sự thay đổi tương đối về kích thước của chất rắn dưới biến dạng đàn hồi không vượt quá 1%. Thông thường chúng nằm trong vùng 0,2%. Tính chất đàn hồi của chất rắn được đặc trưng bởi sự không có sự dịch chuyển vị trí của các phần tử cấu trúc trong mạng tinh thể của vật liệu sau khi kết thúc tải trọng bên ngoài.
Nếu lực cơ học bên ngoài đủ lớn, thì sau khi kết thúc tác dụng lên vật thể, bạn có thể thấy biến dạng còn lại. Nó được gọi là nhựa.
Tính dẻo của chất rắn
Chúng ta đã xem xét các đặc tính đàn hồi của chất rắn. Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang các đặc điểm của tính dẻo của chúng. Nhiều người biết và đã quan sát thấy rằng nếu bạn dùng búa đập vào một chiếc đinh, nó sẽ bị bong ra. Đây là một ví dụ về biến dạng dẻo. Ở cấp độ nguyên tử, nó là một quá trình phức tạp. Không thể xảy ra biến dạng dẻo trong vật vô định hình, vì vậy kính không bị biến dạng khi bị va đập, nhưng bị sụp đổ.
Thể rắn và khả năng biến dạng dẻo của chúng phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể. Biến dạng được coi là không thể đảo ngược xảy ra do sự chuyển động của các phức nguyên tử đặc biệt trong thể tích của tinh thể, chúng được gọi là sự chuyển vị. Cái sau có thể có hai loại (biên và vít).
Trong tất cả các vật liệu rắn, kim loại có độ dẻo lớn nhất, vì chúng cung cấp một số lượng lớn các mặt phẳng trượt hướng theo các góc khác nhau trong không gian để làm trật khớp. Ngược lại, vật liệu có liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết ion sẽ giòn. Những điều này có thể được quyđá quý hoặc muối ăn đã đề cập.
Độ giòn và độ dẻo dai
Nếu bạn liên tục tác động ngoại lực lên bất kỳ vật liệu rắn nào, thì sớm muộn gì vật đó cũng sẽ sụp đổ. Có hai loại phá hủy:
- mong manh;
- nhớt.
Đầu tiên được đặc trưng bởi sự xuất hiện và phát triển nhanh chóng của các vết nứt. Gãy giòn dẫn đến hậu quả thảm khốc trong sản xuất, do đó, họ cố gắng sử dụng vật liệu và điều kiện hoạt động của chúng mà theo đó vật liệu bị phá hủy sẽ có tính dẻo. Loại thứ hai được đặc trưng bởi sự phát triển vết nứt chậm và hấp thụ một lượng lớn năng lượng trước khi hỏng.
Đối với mỗi vật liệu có một nhiệt độ đặc trưng cho quá trình chuyển đổi giòn-dẻo. Trong hầu hết các trường hợp, sự giảm nhiệt độ sẽ làm thay đổi vết đứt gãy từ dẻo sang giòn.
Tải tuần hoàn và vĩnh viễn
Trong kỹ thuật và vật lý, các đặc tính của chất rắn cũng được đặc trưng bởi loại tải trọng tác dụng lên chúng. Vì vậy, một tác động tuần hoàn không đổi lên vật liệu (ví dụ, lực căng-nén) được mô tả bằng cái gọi là sức bền mỏi. Nó cho biết có bao nhiêu chu kỳ áp dụng một lượng ứng suất cụ thể mà vật liệu được đảm bảo chịu được mà không bị vỡ.
Mệt mỏi của vật liệu cũng được nghiên cứu dưới tải trọng không đổi, bằng cách đo tốc độ biến dạng theo thời gian.
Độ cứng của vật liệu
Một trong những tính chất cơ học quan trọng của chất rắn là độ cứng. Cô ấy định nghĩakhả năng của vật liệu trong việc ngăn chặn sự xâm nhập của các vật thể lạ vào bên trong. Theo kinh nghiệm, rất đơn giản để xác định cái nào trong hai phần cứng hơn. Nó chỉ cần thiết để cào một trong số chúng với nhau. Kim cương là tinh thể cứng nhất. Nó sẽ làm xước bất kỳ vật liệu nào khác.
Tính chất cơ học khác
Vật liệu cứng có một số tính chất cơ học khác với những đặc tính đã nêu ở trên. Chúng tôi liệt kê chúng một cách ngắn gọn:
- độ dẻo - khả năng có nhiều hình dạng khác nhau;
- độ dẻo - khả năng kéo dài thành sợi mảnh;
- khả năng chống lại các loại biến dạng đặc biệt, chẳng hạn như uốn hoặc xoắn.
Vì vậy, cấu trúc vi mô của chất rắn quyết định phần lớn tính chất của chúng.
