วัสดุที่เป็นของแข็งหมายถึงหนึ่งในสี่สถานะของการรวมกลุ่มซึ่งเรื่องรอบตัวเราสามารถเป็นได้ ในบทความนี้ เราจะพิจารณาคุณสมบัติทางกลที่มีอยู่ในของแข็ง โดยคำนึงถึงลักษณะเฉพาะของโครงสร้างภายในด้วย
วัสดุแข็งคืออะไร
บางทีทุกคนก็ตอบคำถามนี้ได้นะ ชิ้นส่วนของเหล็ก คอมพิวเตอร์ ช้อนส้อม รถยนต์ เครื่องบิน หิน หิมะ ล้วนเป็นตัวอย่างของของแข็ง จากมุมมองทางกายภาพ สถานะมวลรวมของแข็งของสสารเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นความสามารถในการคงรูปร่างและปริมาตรไว้ภายใต้อิทธิพลทางกลต่างๆ เป็นคุณสมบัติทางกลของของแข็งที่แยกความแตกต่างจากก๊าซ ของเหลว และพลาสมา โปรดทราบว่าของเหลวยังคงมีปริมาตร (ไม่สามารถบีบอัดได้)
ตัวอย่างข้างต้นของวัสดุที่เป็นของแข็งจะช่วยให้เข้าใจได้ชัดเจนยิ่งขึ้นว่าพวกเขามีบทบาทสำคัญอย่างไรต่อชีวิตมนุษย์และการพัฒนาเทคโนโลยีของสังคม
มีสาขาวิชากายภาพและเคมีหลายสาขาที่ศึกษาสถานะของสสารที่อยู่ระหว่างการพิจารณา เราแสดงรายการที่สำคัญที่สุดเท่านั้น:
- ฟิสิกส์ทึบร่างกาย;
- กลไกการเสียรูป;
- วัสดุศาสตร์
- เคมีเข้มข้น
โครงสร้างวัสดุแข็ง
ก่อนพิจารณาคุณสมบัติทางกลของของแข็ง ควรทำความคุ้นเคยกับโครงสร้างภายในของพวกมันในระดับอะตอม
โครงสร้างที่เป็นของแข็งที่หลากหลายนั้นยอดเยี่ยมมาก อย่างไรก็ตาม มีการจำแนกประเภทสากลซึ่งขึ้นอยู่กับเกณฑ์ของระยะเวลาของการจัดเรียงองค์ประกอบ (อะตอม โมเลกุล กระจุกของอะตอม) ที่ประกอบเป็นร่างกาย ตามการจำแนกประเภทนี้ ของแข็งทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็นต่อไปนี้:
- ผลึก;
- อสัณฐาน
มาเริ่มกันที่ข้อสองกัน ร่างกายอสัณฐานไม่มีโครงสร้างที่เป็นระเบียบ อะตอมหรือโมเลกุลในนั้นถูกจัดเรียงแบบสุ่ม คุณลักษณะนี้นำไปสู่คุณสมบัติของไอโซโทรปีของวัสดุอสัณฐาน นั่นคือ คุณสมบัติไม่ขึ้นอยู่กับทิศทาง ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดของตัวอสัณฐานคือแก้ว
วัตถุที่เป็นผลึกหรือคริสตัลซึ่งแตกต่างจากวัสดุอสัณฐาน มีการจัดเรียงองค์ประกอบโครงสร้างตามลำดับในอวกาศ ในไมโครสเกล พวกเขาสามารถแยกแยะระหว่างระนาบผลึกและแถวอะตอมมิกคู่ขนานได้ เนื่องจากโครงสร้างนี้ คริสตัลจึงมีลักษณะแบบแอนไอโซทรอปิก ยิ่งกว่านั้น anisotropy ไม่เพียงแสดงออกมาในคุณสมบัติทางกลของของแข็งเท่านั้น แต่ยังแสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้า แม่เหล็กไฟฟ้า และอื่นๆ ด้วย ตัวอย่างเช่น คริสตัลทัวร์มาลีนสามารถส่งการสั่นสะเทือนของคลื่นแสงในทิศทางเดียวเท่านั้น ซึ่งนำไปสู่โพลาไรเซชันของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
ตัวอย่างคริสตัลเป็นวัสดุที่เป็นโลหะเกือบทั้งหมด มักพบในตะแกรงคริสตัลสามชิ้น: ลูกบาศก์ที่มีใบหน้าและศูนย์กลางร่างกาย (fcc และ bcc ตามลำดับ) และลูกบาศก์ที่ปิดสนิทหกเหลี่ยม (hcp) อีกตัวอย่างหนึ่งของคริสตัลคือเกลือแกงทั่วไป โหนดต่างจากโลหะตรงที่ไม่มีอะตอม แต่มีคลอไรด์แอนไอออนหรือโซเดียมไอออนบวก
ความยืดหยุ่นเป็นคุณสมบัติหลักของวัสดุแข็งทั้งหมด
เมื่อใส่ความเค้นที่น้อยที่สุดกับของแข็ง เราก็ทำให้มันเสียรูป บางครั้งการเสียรูปอาจมีขนาดเล็กจนมองไม่เห็น อย่างไรก็ตาม วัสดุที่เป็นของแข็งทั้งหมดจะเสียรูปเมื่อใช้งานภายนอก หากหลังจากนำภาระนี้ออกแล้ว การเสียรูปหายไป แสดงว่าพวกเขาพูดถึงความยืดหยุ่นของวัสดุ
ตัวอย่างที่ชัดเจนของปรากฏการณ์ความยืดหยุ่นคือการบีบอัดของสปริงโลหะ ซึ่งอธิบายโดยกฎของฮุค ด้วยแรง F และแรงตึงสัมบูรณ์ (แรงอัด) x กฎข้อนี้เขียนดังนี้:
F=-kx.
นี่คือตัวเลขบางตัว
ในกรณีของโลหะเทกอง กฎของฮุคมักจะเขียนในแง่ของความเค้นภายนอกที่ใช้ σ ความเครียดสัมพัทธ์ ε และโมดูลัสของยัง E:
σ=อีε.
โมดูลัสของ Young เป็นค่าคงที่สำหรับวัสดุเฉพาะ
คุณลักษณะของการเปลี่ยนรูปยางยืด ซึ่งแตกต่างจากการเปลี่ยนรูปพลาสติก คือการย้อนกลับได้การเปลี่ยนแปลงขนาดของของแข็งภายใต้การเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นไม่เกิน 1% ส่วนใหญ่มักจะอยู่ในภูมิภาค 0.2% สมบัติการยืดหยุ่นของของแข็งมีลักษณะเฉพาะโดยไม่มีการเคลื่อนตำแหน่งขององค์ประกอบโครงสร้างในโครงผลึกของวัสดุหลังจากการสิ้นสุดของโหลดภายนอก
หากแรงทางกลภายนอกมีขนาดใหญ่พอ เมื่อสิ้นสุดการกระทำบนร่างกาย คุณจะเห็นการเสียรูปที่เหลือ เรียกว่าพลาสติก
พลาสติกแข็ง
เราพิจารณาคุณสมบัติยืดหยุ่นของของแข็งแล้ว ทีนี้มาดูลักษณะของความเป็นพลาสติกกัน หลายคนรู้และสังเกตว่าถ้าใช้ค้อนทุบตะปูจะทำให้แบน นี่คือตัวอย่างการเสียรูปของพลาสติก ในระดับอะตอม มันเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน การเสียรูปของพลาสติกไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในตัวอสัณฐาน ดังนั้นแก้วจึงไม่เสียรูปเมื่อถูกกระแทก แต่จะยุบตัวลง
เนื้อแข็งและความสามารถในการเปลี่ยนรูปพลาสติกขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึก การเสียรูปที่พิจารณาว่าไม่สามารถย้อนกลับได้เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของสารเชิงซ้อนของอะตอมพิเศษในปริมาตรของผลึกซึ่งเรียกว่าความคลาดเคลื่อน หลังสามารถเป็นสองประเภท (ขอบและสกรู)
ในบรรดาวัสดุที่เป็นของแข็งทั้งหมด โลหะมีความเป็นพลาสติกมากที่สุด เนื่องจากมีระนาบการลื่นจำนวนมากโดยมุ่งไปที่มุมต่างๆ ในพื้นที่สำหรับการเคลื่อนตัว ในทางกลับกัน วัสดุที่มีพันธะโควาเลนต์หรือไอออนิกจะเปราะ เหล่านี้สามารถนำมาประกอบอัญมณีหรือเกลือแกงที่กล่าวถึง
ความเปราะบางและเหนียว
หากคุณใช้แรงภายนอกกับวัสดุที่เป็นของแข็งตลอดเวลา ไม่ช้าก็เร็ววัสดุนั้นก็จะยุบตัว การทำลายมีสองประเภท:
- เปราะบาง;
- หนืด
แรกมีลักษณะและการเติบโตอย่างรวดเร็วของรอยแตก การแตกหักแบบเปราะนำไปสู่ภัยพิบัติในการผลิต ดังนั้น พวกเขาจึงพยายามใช้วัสดุและสภาพการทำงานภายใต้การทำลายของวัสดุจะมีความเหนียว อย่างหลังมีลักษณะรอยแตกที่โตช้าและดูดซับพลังงานจำนวนมากก่อนจะล้มเหลว
สำหรับวัสดุแต่ละชนิด จะมีอุณหภูมิที่บ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงที่เปราะบางและเหนียวเหนอะหนะ ในกรณีส่วนใหญ่ อุณหภูมิที่ลดลงจะเปลี่ยนการแตกหักจากความเหนียวเป็นเปราะ
โหลดแบบวนและถาวร
ในทางวิศวกรรมและฟิสิกส์ คุณสมบัติของของแข็งยังมีลักษณะเฉพาะตามประเภทของโหลดที่ใช้กับพวกมัน ดังนั้น ผลกระทบของวัฏจักรคงที่ต่อวัสดุ (เช่น แรงอัด-แรงตึง) ถูกอธิบายโดยความต้านทานความล้าที่เรียกว่า มันแสดงให้เห็นจำนวนรอบของการใช้ความเครียดจำนวนหนึ่งซึ่งรับประกันว่าวัสดุจะทนทานโดยไม่ทำลาย
ความล้าของวัสดุยังได้รับการศึกษาภายใต้ภาระคงที่ โดยการวัดอัตราความเครียดเมื่อเวลาผ่านไป
ความแข็งของวัสดุ
คุณสมบัติทางกลที่สำคัญอย่างหนึ่งของของแข็งคือความแข็ง เธอกำหนดความสามารถของวัสดุในการป้องกันการนำสิ่งแปลกปลอมเข้ามา สังเกตได้ง่ายมากที่จะตัดสินว่าร่างใดในสองร่างที่ยากกว่า จำเป็นต้องเกาอันใดอันหนึ่งกับอีกอันหนึ่งเท่านั้น เพชรเป็นคริสตัลที่แข็งที่สุด มันจะขีดข่วนวัสดุอื่นๆ
คุณสมบัติทางกลอื่นๆ
วัสดุแข็งมีคุณสมบัติทางกลบางอย่างนอกเหนือจากที่ระบุไว้ข้างต้น เราแสดงรายการโดยสังเขป:
- ความเหนียว - ความสามารถในการรับรูปร่างต่างๆ
- ความเหนียว - ความสามารถในการยืดเป็นเส้นบางๆ;
- ความสามารถในการต้านทานการเสียรูปแบบพิเศษ เช่น การงอหรือบิดตัว
ดังนั้น โครงสร้างจุลภาคของของแข็งจึงเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของของแข็งเป็นส่วนใหญ่
