1.1.4 Тверде тіло

Тверді речовини побудовані з молекул, атомів та іонів, що міцно пов'язані між собою. З цієї причини вони мають певний об'єм і форму. Частинки твердої речовини не можуть вільно переміщуватися, вони зберігають взаємне розташування, здійснюючи коливання близько центрів рівноваги, тому для зміни об'єму і форми твердої речовини потрібне зусилля.

Розрізняють два стани твердих речовин: кристалічний і аморфний.

Кристали кожної кристалічної речовини мають характерну для них форму. Так, кристали хлориду натрію мають форму куба, нітрату калію – призми і т.д. У кристалічних речовинах частинки, з яких побудовані кристали, розміщені в просторі в певному порядку і утворюють просторову гратку. Залежно від характеру частинок, що перебувають у вузлах просторової гратки, розрізняють молекулярні, атомні, іонні та металеві гратки.

У вузлах молекулярної гратки знаходяться полярні або неполярні молекули, які зв'язані між собою слабкими силами притягнення. Молекулярну гратку мають більшість органічних речовин, а також ряд неорганічних сполук, наприклад, вода, аміак. Речовини з молекулярними гратками мають порівняно невисоку температуру плавлення.

Атомна гратка характеризується тим, що в її вузлах розміщені атоми, які пов'язані між собою спільними електронними парами. Речовини з атомними гратками (наприклад, алмаз) дуже міцні і мають дуже високу температуру плавлення.

У вузлах іонної гратки розташовані позитивно і негативно заряджені іони, що чергуються один з одним. Іонні кристалічні гратки характерні для більшості солей, оксидів і основ.

У вузлах металічної гратки поряд з нейтральними атомами розміщуються позитивно заряджені іони даного металу. Між ними вільно переміщаються електрони – так званий електронний газ. Така будова металів обумовлює їх загальні властивості: металевий блиск, електро- і теплопровідність, ковкість та ін.

Кристалічна гратка руйнується при плавленні, випаровуванні або розчинені речовини.

Аморфні речовини являють собою агрегати безладно розташованих молекул. На відміну від кристалічних речовин, що мають цілком певну температуру плавлення, аморфні речовини плавляться в широкому діапазоні температур. При нагріванні вони поступово розм'якшуються, починають розтікатися і стають рідкими. В залежності від умов, за яких відбувається перехід з розплавленого стану в твердий, одну й ту ж саму речовину можна отримати як в кристалічному, так і в аморфному станах [4-6].

1.2 Основні властивості матеріалів

1.2.1 Механічні властивості

Механічні властивості матеріалів характеризують можливість їх використання у виробах, що експлуатуються при дії зовнішніх навантажень. Основними показниками властивостей матеріалів є міцність, твердість, триботехнічні характеристики.

Міцність – властивість матеріалів чинити опір руйнуванню та необоротній зміни форми під дією зовнішніх навантажень. Вона обумовлена силами взаємодії часток, з яких складається матеріал.

Якщо при розтягуванні зразка сила зовнішнього впливу на пару атомів перевершує силу їхнього притягнення, то атоми будуть віддалятися один від одного. Напруга, що виникає в матеріалі і яка відповідає силі міжатомного притягнення, відповідає теоретичній міцності.

При виникненні в матеріалі локальної напруги більшої за теоретичну міцність відбудеться розрив матеріалу по цій ділянці. У результаті утворюється тріщина. Зростання тріщин триває, поки в результаті їх злиття одна з тріщин не пошириться на весь переріз зразка і не відбудеться його руйнування.

Деформування – зміна відносного розташування частинок в матеріалі (розтяг, стиск, вигин, крутіння, зсув). Таким чином, деформація – зміна форми і розмірів виробу або його частин у результаті деформування. Деформацію називають пружною, якщо вона зникає після зняття навантаження, або, пластичною (необоротною), якщо вона не зникає.

Динамічна міцність – опір матеріалів динамічним навантаженням, тобто навантаженням, значення, напрямок і точка прикладання яких швидко змінюються в часі.

Втома матеріалів – процес поступового накопичення пошкоджень під дією змінних напруг, що призводять до зміни властивостей матеріалу, утворення та розростання тріщин. Властивість матеріалів протистояти втомі називається витривалістю. Повзучість – безперервне пластичне деформування матеріалів під дією постійного навантаження. Будь-які тверді матеріали в тій чи іншій мірі схильні до повзучості в усьому діапазоні температур експлуатації. Шкідливі наслідки повзучості матеріалів особливо проявляються при підвищених температурах.

Причиною незадовільної міцності виробів може бути вплив поверхневих дефектів і напружень, які виникають через нерівномірність розподілу навантаження, зумовленого особливостями конструкції. Тому міцність конструкційних елементів (зварювальних швів, болтів, валів і т.д.) – конструкційна міцність – у багатьох випадках нижче технічної міцності вихідних матеріалів.

Твердість є механічною характеристикою матеріалів, що відображає їх міцність, пластичність та властивості поверхневого шару виробу. Вона виражається опором матеріалу пластичному деформуванню, що виникає при впровадженні в матеріал твердого тіла (індентора). Залежно від способу впровадження та властивостей індентора твердість матеріалів оцінюють за різними критеріями, використовуючи декілька методів: вдавлювання індентора; динамічні методи; дряпання.

Вдавлювання індентора в зразок з подальшим вимірюванням відбитка є основним технологічним прийомом при оцінці твердості матеріалів. Залежно від особливостей прикладення навантаження, конструкції індентора та визначення чисел твердості розрізняють методи Брінелля, Роквелла, Віккерса.

Шляхом подряпин порівнюють твердість досліджуваного і еталонного матеріалів. Як еталони прийнято десять мінералів, що розташовані у порядку зростання їх твердості,: 1 – тальк, 2 – гіпс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз.

Триботехнічні характеристики визначають ефективність застосування матеріалів у вузлах тертя. Під триботехнікою розуміють сукупність технічних засобів, що забезпечують оптимальне функціонування вузлів тертя. Основні характеристики триботехнічних матеріалів: зносостійкість, припрацьовуваність, коефіцієнт тертя.

Зносостійкість – властивість матеріалу чинити опір зношуванню при певних умовах тертя. Відношення величини зносу до інтервалу часу, протягом якого він виник, або до шляху, на якому відбувалося зношування, представляє собою, відповідно, швидкість зношування і інтенсивність зношування. Зносостійкість матеріалів оцінюють величиною, зворотною швидкості та інтенсивності зношування.

Припрацьовуваність – властивість матеріалу зменшувати силу тертя, температуру і інтенсивність зношування в процесі припрацювання. Забезпечення зносостійкості безпосередньо пов'язано з попередженням катастрофічного зношування і припрацювання.

Коефіцієнт тертя – відношення сили тертя двох тіл до нормальної сили, що притискує ці тіла один до одного. Його значення залежать від швидкості ковзання, тиску і твердості поверхні матеріалів, що труться.

Триботехнічні характеристики матеріалів залежать від наступних основних груп факторів, що впливають на роботу вузлів тертя:

внутрішніх, обумовлених природою матеріалів;

зовнішніх, що характеризують вид тертя (ковзання, качання);

режиму тертя (швидкість, навантаження, температура);

середовища і виду мастильного матеріалу.

Сукупність цих факторів обумовлює вид зношування – абразивне, адгезійне, ерозійне, втомлювальне та ін.

Основна причина всіх видів зношування – робота сил тертя, під дією яких відбувається багаторазове деформування поверхневих шарів тіл, що труться, зміна їх структури тощо [2-4].