Il materiale solido rappresenta uno dei quattro stati di aggregazione in cui può trovarsi la materia che ci circonda. In questo articolo considereremo quali proprietà meccaniche sono inerenti ai solidi, tenendo conto delle peculiarità della loro struttura interna.
Cos'è un materiale solido?
Forse tutti possono rispondere a questa domanda. Un pezzo di ferro, un computer, posate, automobili, aerei, pietra, neve sono tutti esempi di solidi. Da un punto di vista fisico, lo stato aggregato solido della materia è inteso come la sua capacità di mantenere la sua forma e il suo volume sotto varie influenze meccaniche. Sono queste proprietà meccaniche dei solidi che li distinguono da gas, liquidi e plasmi. Si noti che il fluido mantiene anche il volume (non è comprimibile).
Gli esempi sopra riportati di materiali solidi aiuteranno a capire più chiaramente quale ruolo importante svolgono per la vita umana e lo sviluppo tecnologico della società.
Ci sono diverse discipline fisiche e chimiche che studiano lo stato della materia in esame. Ne elenchiamo solo i più importanti:
- fisica solidacorpo;
- meccanica di deformazione;
- scienza dei materiali;
- chimica solida.
Struttura di materiali duri
Prima di considerare le proprietà meccaniche dei solidi, bisognerebbe conoscere la loro struttura interna a livello atomico.
La varietà di materiali solidi nella loro struttura è grande. Tuttavia, esiste una classificazione universale, che si basa sul criterio della periodicità della disposizione degli elementi (atomi, molecole, ammassi atomici) che compongono il corpo. Secondo questa classificazione, tutti i solidi sono divisi in:
- cristallino;
- amorfo.
Iniziamo con il secondo. Un corpo amorfo non ha una struttura ordinata. Gli atomi o le molecole al suo interno sono disposti in modo casuale. Questa caratteristica porta all'isotropia delle proprietà dei materiali amorfi, ovvero le proprietà non dipendono dalla direzione. L'esempio più eclatante di un corpo amorfo è il vetro.
I corpi cristallini o cristalli, a differenza dei materiali amorfi, hanno una disposizione di elementi strutturali ordinati nello spazio. Sulla microscala, possono distinguere tra piani cristallini e file atomiche parallele. A causa di questa struttura, i cristalli sono anisotropi. Inoltre, l'anisotropia si manifesta non solo nelle proprietà meccaniche dei solidi, ma anche nelle proprietà elettriche, elettromagnetiche e altre. Ad esempio, un cristallo di tormalina può trasmettere solo le vibrazioni di un'onda luminosa in una direzione, che porta apolarizzazione della radiazione elettromagnetica.
Esempi di cristalli sono quasi tutti materiali metallici. Si trovano più spesso in tre reticoli cristallini: cubico centrato sulla faccia e centrato sul corpo (fcc e bcc, rispettivamente) ed esagonale compatto (hcp). Un altro esempio di cristalli è il comune sale da cucina. A differenza dei metalli, i suoi nodi non contengono atomi, ma anioni cloruro o cationi di sodio.
L'elasticità è la proprietà principale di tutti i materiali duri
Applicando anche la più piccola sollecitazione a un solido, lo deformeremo. A volte la deformazione può essere così piccola da non essere notata. Tuttavia, tutti i materiali solidi si deformano quando viene applicato un carico esterno. Se, dopo aver rimosso questo carico, la deformazione scompare, allora si parla dell'elasticità del materiale.
Un vivido esempio del fenomeno dell'elasticità è la compressione di una molla metallica, descritta dalla legge di Hooke. Attraverso la forza F e la tensione assoluta (compressione) x, questa legge si scrive come segue:
F=-kx.
Qui k c'è un numero.
Nel caso dei metalli sfusi, la legge di Hooke viene solitamente scritta in termini di sollecitazione esterna applicata σ, deformazione relativa ε e modulo di Young E:
σ=MIε.
Il modulo di Young è un valore costante per un particolare materiale.
Caratteristica della deformazione elastica, che la distingue dalla deformazione plastica, è la reversibilità. Le variazioni relative delle dimensioni dei solidi sotto deformazione elastica non superano l'1%. Molto spesso si trovano nella regione dello 0,2%. Le proprietà elastiche dei solidi sono caratterizzate dall'assenza di spostamento delle posizioni degli elementi strutturali nel reticolo cristallino del materiale dopo la cessazione del carico esterno.
Se la forza meccanica esterna è sufficientemente grande, dopo la fine della sua azione sul corpo, puoi vedere la deformazione residua. Si chiama plastica.
Plasticità dei solidi
Abbiamo considerato le proprietà elastiche dei solidi. Passiamo ora alle caratteristiche della loro plasticità. Molte persone sanno e hanno osservato che se colpisci un chiodo con un martello, si appiattisce. Questo è un esempio di deformazione plastica. A livello atomico, è un processo complesso. La deformazione plastica non può verificarsi nei corpi amorfi, quindi il vetro non si deforma quando viene colpito, ma collassa.
I corpi solidi e la loro capacità di deformarsi plasticamente dipendono dalla struttura cristallina. La deformazione irreversibile considerata si verifica a causa del movimento di speciali complessi atomici nel volume del cristallo, che sono chiamati dislocazioni. Quest'ultimo può essere di due tipi (marginale ea vite).
Di tutti i materiali solidi, i metalli hanno la maggiore plasticità, poiché forniscono un gran numero di piani di scorrimento diretti ad angoli diversi nello spazio per le dislocazioni. Al contrario, i materiali con legami covalenti o ionici saranno fragili. Questi possono essere attribuitigemme o il menzionato sale da tavola.
Fragilità e tenacità
Se applichi costantemente una forza esterna a qualsiasi materiale solido, prima o poi crollerà. Esistono due tipi di distruzione:
- fragile;
- viscosa.
Il primo è caratterizzato dall'aspetto e dalla rapida crescita delle crepe. Le fratture fragili portano a conseguenze catastrofiche nella produzione, quindi cercano di utilizzare i materiali e le loro condizioni operative in cui la distruzione del materiale sarebbe duttile. Quest'ultimo è caratterizzato da una lenta crescita delle crepe e dall'assorbimento di una grande quantità di energia prima del cedimento.
Per ogni materiale esiste una temperatura che caratterizza la transizione fragile-duttile. Nella maggior parte dei casi, una diminuzione della temperatura cambia la frattura da duttile a fragile.
Carichi ciclici e permanenti
In ingegneria e fisica, le proprietà dei solidi sono caratterizzate anche dal tipo di carico ad essi applicato. Quindi, un effetto ciclico costante sul materiale (ad esempio compressione-tensione) è descritto dalla cosiddetta resistenza alla fatica. Mostra quanti cicli di applicazione di una particolare quantità di sollecitazione il materiale è garantito per resistere senza rompersi.
La fatica di un materiale viene studiata anche sotto carico costante, misurando la velocità di deformazione nel tempo.
Durezza dei materiali
Una delle proprietà meccaniche importanti dei solidi è la durezza. Lei definiscela capacità del materiale di impedire l'introduzione di un corpo estraneo al suo interno. Empiricamente, è molto semplice determinare quale dei due corpi è più duro. È solo necessario graffiare uno di loro con l' altro. Il diamante è il cristallo più duro. Graffierà qualsiasi altro materiale.
Altre proprietà meccaniche
I materiali duri hanno alcune proprietà meccaniche diverse da quelle sopra indicate. Li elenchiamo brevemente:
- duttilità - la capacità di assumere varie forme;
- duttilità - la capacità di allungarsi in fili sottili;
- capacità di resistere a particolari tipi di deformazione, come piegamenti o torsioni.
Quindi, la struttura microscopica dei solidi determina in gran parte le loro proprietà.
