Қатты материал айналамыздағы материя болуы мүмкін біріктірудің төрт күйінің бірін білдіреді. Бұл мақалада біз қатты денелерге қандай механикалық қасиеттер тән екенін олардың ішкі құрылымының ерекшеліктерін ескере отырып қарастырамыз.
Қатты материал дегеніміз не?
Бұл сұраққа әркім жауап бере алатын шығар. Темір, компьютер, ас құралдары, көліктер, ұшақтар, тас, қар қатты денелердің мысалдары. Физикалық тұрғыдан алғанда, заттың қатты агрегаттық күйі деп оның әртүрлі механикалық әсерлер кезінде өзінің пішіні мен көлемін сақтау қабілеті түсініледі. Қатты денелердің дәл осы механикалық қасиеттері оларды газдардан, сұйықтардан және плазмалардан ажыратады. Сұйықтықтың көлемін де сақтайтынын ескеріңіз (сығылмайды).
Жоғарыда келтірілген қатты материалдар мысалдары олардың адам өмірі мен қоғамның технологиялық дамуы үшін қандай маңызды рөл атқаратынын нақтырақ түсінуге көмектеседі.
Қарастырылып отырған заттың күйін зерттейтін бірнеше физикалық және химиялық пәндер бар. Біз олардың ең маңыздыларын ғана тізімдейміз:
- қатты денелер физикасыдене;
- деформация механикасы;
- материалтану;
- қатты химия.
Қатты материалдардың құрылымы
Қатты денелердің механикалық қасиеттерін қарастырмас бұрын олардың атомдық деңгейде ішкі құрылысымен танысу керек.
Құрылымындағы қатты материалдардың әртүрлілігі өте жақсы. Соған қарамастан, денені құрайтын элементтердің (атомдардың, молекулалардың, атомдық кластерлердің) орналасу кезеңділігінің критерийіне негізделген әмбебап классификация бар. Осы классификацияға сәйкес барлық қатты заттар келесіге бөлінеді:
- кристалды;
- аморфты.
Екіншіден бастайық. Аморфты дененің реттелген құрылымы болмайды. Ондағы атомдар немесе молекулалар ретсіз орналасады. Бұл қасиет аморфты материалдардың қасиеттерінің изотропиясына әкеледі, яғни қасиеттері бағытқа тәуелді емес. Аморфты дененің ең жарқын мысалы - шыны.
Кристалды денелер немесе кристалдар аморфты материалдардан айырмашылығы кеңістікте реттелген құрылымдық элементтердің орналасуына ие. Микромасштабта олар кристалдық жазықтықтар мен параллель атомдық қатарларды ажырата алады. Осы құрылымға байланысты кристалдар анизотропты болады. Сонымен қатар, анизотропия қатты денелердің механикалық қасиеттерінде ғана емес, электрлік, электромагниттік және т.б. қасиеттерінде де көрінеді. Мысалы, турмалин кристалы тек бір бағытта жарық толқынының тербелісін бере алады, бұлэлектромагниттік сәулеленудің поляризациясы.
Кристалдардың мысалдары барлық дерлік металл материалдар болып табылады. Олар көбінесе үш кристалдық торларда кездеседі: бетке бағытталған және денеге бағытталған текше (тиісінше fcc және bcc) және алтыбұрышты тығыз оралған (hcp). Кристалдардың тағы бір мысалы - ас тұзы. Металдардан айырмашылығы, оның түйіндерінде атомдар емес, хлорид аниондары немесе натрий катиондары болады.
Икемділік - барлық қатты материалдардың басты қасиеті
Тіпті қатты денеге ең кішкентай кернеуді қолдану арқылы біз оның деформациясын тудырамыз. Кейде деформация соншалықты аз болуы мүмкін, оны байқауға болмайды. Дегенмен, барлық қатты материалдар сыртқы жүктеме кезінде деформацияланады. Егер бұл жүктемені алып тастағаннан кейін деформация жойылса, онда олар материалдың серпімділігі туралы айтады.
Икемділік құбылысының жарқын мысалы Гук заңымен сипатталған металл серіппенің қысылуы болып табылады. F күші және абсолютті керілу (сығу) x арқылы бұл заң былай жазылады:
F=-kx.
Мұнда k – кейбір сан.
Сусымалы металдар жағдайында Гук заңы әдетте қолданылатын сыртқы кернеу σ, салыстырмалы деформация ε және Янг модулі E арқылы жазылады:
σ=Eε.
Янг модулі белгілі бір материал үшін тұрақты мән болып табылады.
Эластикалық деформацияның пластикалық деформациядан ерекшеленетін ерекшелігі – қайтымдылық. Серпімді деформация кезінде қатты денелердің өлшемдерінің салыстырмалы өзгеруі 1%-дан аспайды. Көбінесе олар 0,2% аймақта жатыр. Қатты денелердің серпімділік қасиеттері сыртқы жүктемені тоқтатқаннан кейін материалдың кристалдық торында құрылымдық элементтердің орын ауыстыруының болмауымен сипатталады.
Сыртқы механикалық күш жеткілікті үлкен болса, оның денеге әсері тоқтағаннан кейін қалдық деформацияны көруге болады. Ол пластик деп аталады.
Қатты заттардың икемділігі
Біз қатты денелердің серпімділік қасиеттерін қарастырдық. Енді олардың пластикасының сипаттамаларына көшейік. Шегеге балғамен соқса, оның тегістелетінін көп адамдар біледі және байқайды. Бұл пластикалық деформацияның мысалы. Атом деңгейінде бұл күрделі процесс. Аморфты денелерде пластикалық деформация болуы мүмкін емес, сондықтан шыны соғылған кезде деформацияланбайды, бірақ құлап кетеді.
Қатты денелер және олардың пластикалық деформациялану қабілеті кристалдық құрылымға байланысты. Қарастырылатын қайтымсыз деформация дислокациялар деп аталатын кристалдың көлеміндегі арнайы атомдық кешендердің қозғалысына байланысты болады. Соңғысы екі түрлі болуы мүмкін (шекті және бұрандалы).
Барлық қатты материалдардың ішінде металдар ең үлкен пластикалық қасиеттерге ие, өйткені олар дислокациялар үшін кеңістікте әртүрлі бұрыштарға бағытталған сырғанау жазықтықтарының көп санын қамтамасыз етеді. Керісінше, коваленттік немесе иондық байланыстары бар материалдар сынғыш болады. Бұларды жатқызуға боладыасыл тастар немесе аталған ас тұзы.
Сынғыштық пен қаттылық
Кез келген қатты материалға үнемі сыртқы күш түсіретін болсаңыз, ол ерте ме, кеш пе, құлап кетеді. Бұзудың екі түрі бар:
- сынғыш;
- тұтқыр.
Бірінші жарықшақтардың пайда болуымен және тез өсуімен сипатталады. Морт сынықтар өндірісте апатты зардаптарға әкеледі, сондықтан олар материалды және олардың жұмыс жағдайларын қолдануға тырысады, бұл жағдайда материалдың бұзылуы икемді болады. Соңғысы жарықшақтардың баяу өсуімен және істен шыққанға дейін энергияның көп мөлшерін сіңіруімен сипатталады.
Әр материал үшін сынғыш-иілгіш ауысуды сипаттайтын температура бар. Көп жағдайда температураның төмендеуі сынуды иілгіштен сынғышқа өзгертеді.
Циклдік және тұрақты жүктемелер
Техника мен физикада қатты денелердің қасиеттері оларға түсетін жүктеме түрімен де сипатталады. Сонымен, материалға тұрақты циклдік әсер ету (мысалы, кернеу-сығу) шаршауға төзімділік деп аталады. Ол белгілі бір кернеу мөлшерін қолданудың қанша циклі материалдың бұзылмай төтеп беруге кепілдік беретінін көрсетеді.
Материалдың шаршауы да тұрақты жүктеме кезінде, уақыт бойынша деформация жылдамдығын өлшеу арқылы зерттеледі.
Материалдардың қаттылығы
Қатты заттардың маңызды механикалық қасиеттерінің бірі - қаттылық. Ол анықтайдыматериалдың оған бөтен дененің енуіне жол бермеу қабілеті. Эмпирикалық түрде екі дененің қайсысы қиынырақ екенін анықтау өте оңай. Тек біреуін екіншісімен сызып тастау керек. Алмаз - ең қатты кристалл. Ол кез келген басқа материалды сызады.
Басқа механикалық қасиеттер
Қатты материалдардың жоғарыда аталғандардан басқа механикалық қасиеттері бар. Біз оларды қысқаша тізімдейміз:
- иілгіштік - әртүрлі пішіндерді қабылдау мүмкіндігі;
- иілгіштік - жіңішке жіптерге созу мүмкіндігі;
- бүгілу немесе бұралу сияқты деформацияның ерекше түрлеріне төтеп беру мүмкіндігі.
Осылайша, қатты денелердің микроскопиялық құрылымы олардың қасиеттерін көп жағдайда анықтайды.
