Механические свойства твердых тел

Свойства кристаллической решетки твердого тела (ее размеры и форма, симметрия, особенности взаимного расположения частиц) определяют физические свойства вещества. Существенное влияние на свойства вещества оказывают и различные дефекты в кристалле.

Механические свойства вещества определяются поведением кристаллической решетки под действием внешней нагрузки. Характеризует эти свойства механическое напряжение σ.

И зменение линейных размеров или формы твердого тела под действием внешних сил называется деформацией. Перечислим ее виды.

Деформация растяжения (см. рис. 89, б) или сжатия (рис. 89, в) — изменение любого линейного размера тела (длины, ширины или высоты). Оба типа деформаций принято характеризовать с помощью относительного удлинения — ε = Δl/l. При деформации растяжения ε > 0, а при деформации сжатия — ε < 0. Деформацию растяжения испытывают подвешенные в поле силы тяжести тела, натянутые тросы, канаты и т. д. Соответственно, деформацию сжатия — лежащие на опоре в поле силы тяжести тела, нагруженные фундаменты и колонны зданий, позвоночник человека и т.д.

Деформация сдвига — перемещение всех слоев твердого тела одном и том же направлении параллельно некоторой плоскости (плоскости сдвига) (рис. 90). Такую деформацию испытывает разрезаемый ножницами лист металла.

Деформация изгиба — сжатие одних частей тела при растяжении других в параллельных направлениях (рис. 91). Ее испытывает удочка при вытягивании рыбы, стрела крана с грузом и т. д.

Д еформация кручения — поворот параллельных сечений образца вокруг некоторой оси под действием внешней силы (рис. 92). Этот вид деформации испытывают оси механизмов, сверла, отвертки, ключи от замков при их эксплуатации.

Зависимость механического напряжения σ от относительного удлинения образца ε называется диаграммой растяжения (рис. 93). Поясним характерные точки и отрезки на диаграмме.

Предел пропорциональности (точка A) — максимальное напряжение σ_п, при котором сохраняется прямая пропорциональность между механическим напряжением σ и относительным удлинением ε:

,

где Е — модуль упругости (модуль Юнга). Он характеризует способность материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия. Физический смысл модуля Юнга: он численно равен напряжению, которое возникло бы в образце при относительной деформации, равной единице.

Покажем, что приведенная формула есть не что иное, как другая форма записи закона Гука. Сила упругости равна произведению напряжения на площадь поперечного сечения, которое ввиду малости деформаций можно считать постоянным. Используя формулу для относительного удлинения и обозначив комбинацию постоянных величин через коэффициент k, получаем

,

где жесткость образца.

Предел упругости (точка B) — максимальное напряжение σ_упр, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации. При снятии внешней силы, деформирующей образец, размеры и форма образца возвращаются к исходным значениям. Как видно из рисунка 163, предел упругости σ_улр незначительно превышает предел пропорциональности σ_п.

Предел текучести (точка C) — напряжение σ_т, при котором материал «течет». В образце возникают остаточные деформации. Размеры и форма образца, испытавшего растяжение, соответствующее участку ВС, уже никогда не вернутся к начальным при снятии внешней нагрузки, а сохранят остаточную деформацию ε_ост. Например, если перегрузить полиэтиленовый пакет, его ручки начинают растягиваться, хотя внешняя нагрузка не изменяется. Это и есть примep текучести образца. Даже выгрузив все из пакета, все равно никогда не удается добиться, чтобы его ручки восстановили свою первоначальную форму. Они будут немного провисать, что свидетельствует о наличии в них остаточной деформации растяжения.

Вещества, для которых область текучести (участок CD) великa, называют пластичными, а вещества, для которых она мала,— хрупкими. Например, чугун — хрупкий сплав, чугунное изделие легко расколоть, уронив на твердый пол. А сталь, тот же самый чугун, из которого удален углерод, но добавлены небольшие легирующие примеси, весьма пластична.

Предел прочности (точка Е) — напряжение σ_пр, при котором материал разрушается. Для алюминия σ_пр = 200 МПа, что означает, что алюминиевая проволока сечением 1 мм² выдержит груз массой не более 20 кг. Предел прочности стали в 2,5 раза больше, чем алюминия.

При проектировании зданий нельзя допускать, чтобы механические напряжения в элементах конструкций достигали предельных значений. Для этого вводится так называемый запас прочности или коэффициент безопасности

где σ_д — допустимое максимальное напряжение, которое будет испытывать элемент конструкции. Обычно п лежит в пределах от 2 до 10.

Механические свойства твердых тел определяются электромагнитными силами взаимодействия составляющих его частиц. Рассмотрим, как возникают силы упругости с точки зрения строения вещества.

К ристаллическая решетка — достаточно эластичная конфигурация атомов. Ее реакция на воздействие небольшой внешней нагрузки — выход атомов из равновесных положений. При снятии нагрузки атомы возвращаются в исходные положения.

При дальнейшем увеличении внешней нагрузки в веществе появляются и начинают распространяться структурные дефекты, прежде всего дислокации. Дислокацией называется нарушение в порядке расположения атомных плоскостей в кристалле (рис. 94). Материал начинает «течь» — пластически деформироваться. Пластическая деформация происходит за счет скольжения или поворота одних атомных плоскостей кристалла относительно других (рис. 95). После снятия нагрузки атомы остаются в новых положениях, и деформация сохраняется.

В ернуть исходную форму образца можно, только деформируя его в противоположном направлении. Но даже тогда восстановить прежнее расположение отдельных атомов невозможно. Это происходит потому, что обратная деформация реализуется, в основном, не путем попятного движения прежних дислокаций, а в результате зарождения новых. Атомы при такой деформации постоянно меняют своих соседей, но сохраняют конфигурацию прежней кристаллической решетки.

При дальнейшем увеличении нагрузки на месте дислокаций и других дефектов формируются макроскопические трещины, и материал разрушается.