חומר מוצק מייצג את אחד מארבעת מצבי הצבירה שבהם יכול להיות החומר שסביבנו. במאמר זה נשקול אילו תכונות מכניות טבועות במוצקים, תוך התחשבות במוזרויות המבנה הפנימי שלהם.
מהו חומר מוצק?
אולי כולם יכולים לענות על השאלה הזו. חתיכת ברזל, מחשב, סכו ם, מכוניות, מטוסים, אבן, שלג הם כולם דוגמאות למוצקים. מנקודת מבט פיזיקלית, המצב המצטבר המוצק של החומר מובן כיכולתו לשמור על צורתו ונפחו תחת השפעות מכניות שונות. התכונות המכניות הללו של מוצקים הן שמבדילות אותם מגזים, נוזלים ופלזמות. שימו לב שהנוזל שומר גם על נפח (אינו ניתן לדחיסה).
הדוגמאות שלעיל לחומרים מוצקים יעזרו להבין בצורה ברורה יותר איזה תפקיד חשוב הם ממלאים בחיי האדם וההתפתחות הטכנולוגית של החברה.
ישנן מספר דיסציפלינות פיזיקליות וכימיות החוקרים את מצב החומר הנדון. אנו מציגים רק את החשובים שבהם:
- פיסיקה מוצקהגוף;
- מכניקת עיוות;
- מדע חומרים;
- כימיה מוצקה.
מבנה של חומרים קשיחים
לפני שמתחשבים בתכונות המכניות של מוצקים, יש להכיר את המבנה הפנימי שלהם ברמה האטומית.
מגוון החומרים המוצקים במבנה שלהם גדול. עם זאת, קיים סיווג אוניברסלי, המבוסס על הקריטריון של המחזוריות של סידור היסודות (אטומים, מולקולות, צבירים אטומיים) המרכיבים את הגוף. לפי סיווג זה, כל המוצקים מחולקים לגורמים הבאים:
- קריסטלי;
- אמורפי.
בוא נתחיל עם השני. לגוף אמורפי אין שום מבנה מסודר. אטומים או מולקולות בו מסודרים באופן אקראי. תכונה זו מובילה לאיזוטרופיה של המאפיינים של חומרים אמורפיים, כלומר, המאפיינים אינם תלויים בכיוון. הדוגמה הבולטת ביותר לגוף אמורפי היא זכוכית.
לגופים או גבישים גבישיים, בניגוד לחומרים אמורפיים, יש סידור של אלמנטים מבניים מסודרים בחלל. בקנה מידה מיקרו, הם יכולים להבחין בין מישורים גבישיים לשורות אטומיות מקבילות. בשל מבנה זה, הגבישים הם אנזוטרופיים. יתר על כן, אניזוטרופיה מתבטאת לא רק בתכונות המכניות של מוצקים, אלא גם בתכונות של חשמל, אלקטרומגנטי ואחרים. לדוגמה, גביש טורמלין יכול להעביר רק תנודות של גל אור בכיוון אחד, מה שמוביל לקיטוב של קרינה אלקטרומגנטית.
דוגמאות של גבישים הן כמעט כל חומרים מתכתיים. הם נמצאים לרוב בשלושה סריג קריסטל: מעוקב במרכז פנים ומרכז גוף (fcc ו-bcc, בהתאמה) ומשושה סגור-דחוס (hcp). דוגמה נוספת של גבישים היא מלח שולחני נפוץ. בניגוד למתכות, הצמתים שלו אינם מכילים אטומים, אלא אניונים כלוריים או קטיוני נתרן.
גמישות היא המאפיין העיקרי של כל החומרים הקשים
על ידי הפעלת הלחץ הקטן ביותר על מוצק, אנו גורמים לו להתעוות. לפעמים העיוות יכול להיות כל כך קטן עד שלא ניתן להבחין בו. עם זאת, כל החומרים המוצקים מתעוותים כאשר מופעל עומס חיצוני. אם, לאחר הסרת העומס הזה, העיוות נעלם, אז הם מדברים על גמישות החומר.
דוגמה חיה לתופעת האלסטיות היא דחיסה של קפיץ מתכת, שמתואר בחוק הוק. דרך הכוח F והמתח המוחלט (דחיסה) x, חוק זה נכתב כך:
F=-kx.
הנה k הוא מספר כלשהו.
במקרה של מתכות בתפזורת, חוק הוק נכתב בדרך כלל במונחים של המתח החיצוני המופעל σ, המתח היחסי ε ומודול יאנג E:
σ=Eε.
המודוס של Young הוא ערך קבוע עבור חומר מסוים.
התכונה של דפורמציה אלסטית, המבדילה אותו מעיוות פלסטי, היא הפיכות.שינויים יחסיים בגודל המוצקים תחת עיוות אלסטי אינם עולים על 1%. לרוב הם שוכנים באזור של 0.2%. התכונות האלסטיות של מוצקים מאופיינות בהעדר תזוזה של מיקומי האלמנטים המבניים בסריג הגבישי של החומר לאחר סיום העומס החיצוני.
אם הכוח המכני החיצוני גדול מספיק, אז לאחר סיום פעולתו על הגוף, ניתן לראות את העיוות השיורי. זה נקרא פלסטיק.
פלסטיות של מוצקים
שקלנו את התכונות האלסטיות של מוצקים. כעת נעבור למאפייני הפלסטיות שלהם. אנשים רבים יודעים וראו שאם מכים מסמר בפטיש, הוא הופך לשטח. זוהי דוגמה לעיוות פלסטי. ברמה האטומית, מדובר בתהליך מורכב. דפורמציה פלסטית לא יכולה להתרחש בגופים אמורפיים, ולכן הזכוכית אינה מתעוותת כאשר היא נפגעת, אלא קורסת.
גופים מוצקים ויכולתם להתעוות פלסטית תלויים במבנה הגבישי. העיוות הנחשב בלתי הפיך מתרחש עקב תנועה של קומפלקסים אטומיים מיוחדים בנפח הגביש, הנקראים נקעים. האחרון יכול להיות משני סוגים (שולי ובורג).
מכל החומרים המוצקים, למתכות יש את הפלסטיות הגדולה ביותר, מכיוון שהן מספקות מספר רב של מישורי החלקה המכוונים בזוויות שונות בחלל לצורך נקעים. לעומת זאת, חומרים בעלי קשרים קוולנטיים או יוניים יהיו שבירים. ניתן לייחס את אלהאבני חן או מלח השולחן המוזכר.
שבריריות וקשיחות
אם תפעילו כל הזמן כוח חיצוני על כל חומר מוצק, אז במוקדם או במאוחר הוא יתמוטט. ישנם שני סוגי הרס:
- שביר;
- צמיג.
הראשון מאופיין במראה ובצמיחה מהירה של סדקים. שברים שבירים מובילים לתוצאות קטסטרופליות בייצור, לכן הם מנסים להשתמש בחומרים ובתנאי ההפעלה שלהם שבהם ההרס של החומר יהיה רקיע. האחרון מאופיין בצמיחת סדקים איטית ובספיגה של כמות גדולה של אנרגיה לפני כשל.
לכל חומר קיימת טמפרטורה המאפיינת את המעבר השביר-שביר. ברוב המקרים, ירידה בטמפרטורה משנה את השבר משבר לשביר.
עומסים מחזוריים וקבועים
בהנדסה ובפיסיקה, תכונות המוצקים מתאפיינות גם בסוג העומס המופעל עליהם. אז, השפעה מחזורית קבועה על החומר (למשל, מתח-דחיסה) מתוארת על ידי מה שנקרא התנגדות עייפות. זה מראה כמה מחזורי יישום של כמות מסוימת של לחץ מובטח לחומר לעמוד מבלי להישבר.
עייפות של חומר נחקרת גם בעומס קבוע, על ידי מדידת קצב המתח לאורך זמן.
קשיות החומרים
אחת התכונות המכניות החשובות של מוצקים היא קשיות. היא מגדירהיכולת החומר למנוע הכנסת גוף זר לתוכו. מבחינה אמפירית, קל מאוד לקבוע איזה משני הגופים קשה יותר. יש צורך רק לגרד אחד מהם עם השני. יהלום הוא הגביש הקשה ביותר. זה ישרוט כל חומר אחר.
מאפיינים מכניים אחרים
לחומרים קשים יש כמה תכונות מכניות מלבד אלו שצוינו לעיל. אנו מפרטים אותם בקצרה:
- משיכות - היכולת ללבוש צורות שונות;
- משיכות - היכולת להימתח לחוטים דקים;
- יכולת להתנגד לסוגים מיוחדים של עיוותים, כגון כיפוף או פיתול.
לכן, המבנה המיקרוסקופי של מוצקים קובע במידה רבה את תכונותיהם.
