Tahke materjal on üks neljast agregatsiooni olekust, milles meid ümbritsev aine võib olla. Selles artiklis vaatleme, millised mehaanilised omadused on tahketele ainetele omased, võttes arvesse nende sisestruktuuri iseärasusi.
Mis on tahke materjal?
Ehk igaüks oskab sellele küsimusele vastata. Tahkete ainete näited on rauatükk, arvuti, söögiriistad, autod, lennukid, kivi, lumi. Füüsikalisest vaatenurgast mõistetakse aine tahke agregaatoleku all selle võimet säilitada oma kuju ja mahtu erinevate mehaaniliste mõjude korral. Tahkete ainete mehaanilised omadused eristavad neid gaasidest, vedelikest ja plasmadest. Pange tähele, et vedelik säilitab ka mahu (on kokkusurumatu).
Ül altoodud näited tahkete materjalide kohta aitavad selgem alt mõista, kui olulist rolli need inimelus ja ühiskonna tehnoloogilises arengus mängivad.
Seal on mitu füüsikalist ja keemilist distsipliini, mis uurivad vaadeldava aine olekut. Loetleme neist ainult kõige olulisemad:
- tahke füüsikakeha;
- deformatsioonimehaanika;
- materjaliteadus;
- tahke keemia.
Kõvade materjalide struktuur
Enne tahkete ainete mehaaniliste omaduste käsitlemist tuleks tutvuda nende sisestruktuuriga aatomitasandil.
Tahkematerjalide mitmekesisus nende struktuuris on suur. Sellegipoolest on olemas universaalne klassifikatsioon, mis põhineb keha moodustavate elementide (aatomite, molekulide, aatomiklastrite) paigutuse perioodilisuse kriteeriumil. Selle klassifikatsiooni järgi jagunevad kõik tahked ained järgmisteks osadeks:
- kristalliline;
- amorfne.
Alustame teisest. Amorfsel kehal ei ole mingit korrastatud struktuuri. Aatomid või molekulid selles on paigutatud juhuslikult. See omadus toob kaasa amorfsete materjalide omaduste isotroopsuse, see tähendab, et omadused ei sõltu suunast. Amorfse keha ilmekaim näide on klaas.
Kristallilistel kehadel või kristallidel on erinev alt amorfsetest materjalidest struktuurielementide paigutus ruumis. Mikroskaalal suudavad nad eristada kristallilisi tasapindu ja paralleelseid aatomiridu. Tänu sellele struktuurile on kristallid anisotroopsed. Pealegi ei avaldu anisotroopia mitte ainult tahkete ainete mehaanilistes omadustes, vaid ka elektrilistes, elektromagnetilistes ja muudes omadustes. Näiteks turmaliini kristall suudab valguslaine vibratsiooni edastada ainult ühes suunas, mis viibelektromagnetilise kiirguse polarisatsioon.
Kristallide näideteks on peaaegu kõik metallmaterjalid. Kõige sagedamini leidub neid kolmes kristallvõres: näo- ja kehakeskne kuup (vastav alt fcc ja bcc) ning kuusnurkne tihed alt pakitud (hcp). Teine näide kristallidest on tavaline lauasool. Erinev alt metallidest ei sisalda selle sõlmed aatomeid, vaid kloriidianioone või naatriumkatioone.
Elastsus on kõigi kõvade materjalide peamine omadus
Rakendades tahkele ainele isegi väikseimat pinget, põhjustame selle deformeerumise. Mõnikord võib deformatsioon olla nii väike, et seda ei saa märgata. Kõik tahked materjalid deformeeruvad aga välise koormuse rakendamisel. Kui pärast selle koormuse eemaldamist deformatsioon kaob, siis räägivad nad materjali elastsusest.
Elastsuse nähtuse ilmekas näide on metallvedru kokkusurumine, mida kirjeldab Hooke'i seadus. Jõu F ja absoluutse pinge (surve) x kaudu kirjutatakse see seadus järgmiselt:
F=-kx.
Siin k on mingi arv.
Puistemetallide puhul kirjutatakse Hooke'i seadus tavaliselt rakendatud välispinge σ, suhtelise deformatsiooni ε ja Youngi mooduli E kaudu:
σ=Eε.
Youngi moodul on konkreetse materjali konstantne väärtus.
Elastse deformatsiooni omadus, mis eristab seda plastilisest deformatsioonist, on pöörduvus. Tahkete ainete suuruse suhtelised muutused elastse deformatsiooni korral ei ületa 1%. Enamasti jäävad need vahemikku 0,2%. Tahkete ainete elastseid omadusi iseloomustab konstruktsioonielementide positsioonide nihke puudumine materjali kristallvõres pärast väliskoormuse lõppemist.
Kui väline mehaaniline jõud on piisav alt suur, siis pärast selle kehale mõjumise lõppemist on näha jääkdeformatsioon. Seda nimetatakse plastikuks.
Tahkeainete plastilisus
Oleme arvestanud tahkete ainete elastsusomadustega. Liigume nüüd edasi nende plastilisuse omaduste juurde. Paljud inimesed teavad ja on täheldanud, et kui lööd haamriga naela, muutub see lapikuks. See on plastilise deformatsiooni näide. Aatomitasandil on see keeruline protsess. Amorfsetes kehades ei saa tekkida plastilist deformatsiooni, mistõttu klaas ei deformeeru löögi ajal, vaid vajub kokku.
Tahkekehad ja nende võime plastiliselt deformeeruda sõltub kristallistruktuurist. Vaadeldav pöördumatu deformatsioon tekib spetsiaalsete aatomikomplekside liikumise tõttu kristalli mahus, mida nimetatakse dislokatsioonideks. Viimast võib olla kahte tüüpi (äärmine ja kruvi).
Kõigist tahketest materjalidest on metallidel suurim plastilisus, kuna need tagavad suure hulga libisemistasapindu, mis on ruumis erinevate nurkade all suunatud nihestuste jaoks. Vastupidi, kovalentsete või ioonsete sidemetega materjalid on rabedad. Neid võib omistadakalliskivid või mainitud lauasool.
Haprus ja sitkus
Kui rakendate mis tahes tahke materjali suhtes pidev alt välist jõudu, siis varem või hiljem see kokku variseb. Hävitamist on kahte tüüpi:
- habras;
- viskoosne.
Esimest iseloomustab pragude ilmumine ja kiire kasv. Haprad purunemised põhjustavad tootmises katastroofilisi tagajärgi, seetõttu püütakse kasutada materjale ja nende töötingimusi, mille korral materjali hävimine oleks plastiline. Viimast iseloomustab aeglane pragude kasv ja suure energiahulga neeldumine enne rikkeid.
Iga materjali jaoks on temperatuur, mis iseloomustab rabe-plastilist üleminekut. Enamikul juhtudel muudab temperatuuri langus murde elastsest rabedaks.
Tsüklilised ja püsivad koormused
Inseneriteaduses ja füüsikas iseloomustab tahkete ainete omadusi ka neile rakendatava koormuse tüüp. Niisiis kirjeldab pidevat tsüklilist mõju materjalile (näiteks pinget-surumist) nn väsimuskindlus. See näitab, mitu tsüklit teatud pinge korral peab materjal kindlasti vastu ilma purunemiseta.
Materjali väsimist uuritakse ka pideva koormuse korral, mõõtes deformatsioonikiirust ajas.
Materjalide kõvadus
Tahkeainete üks olulisi mehaanilisi omadusi on kõvadus. Ta määratlebmaterjali võime takistada võõrkeha sattumist sellesse. Empiiriliselt on väga lihtne kindlaks teha, kumb kahest kehast on raskem. On vaja ainult ühte neist teisega kriimustada. Teemant on kõige kõvem kristall. See kriimustab mis tahes muud materjali.
Muud mehaanilised omadused
Kõvadel materjalidel on mõned mehaanilised omadused peale ülalmainitute. Loetleme need lühid alt:
- plastilisus – võime võtta erinevaid kujundeid;
- plastilisus – võime venida õhukesteks niitideks;
- võime taluda teatud tüüpi deformatsioone, nagu paindumine või väänamine.
Seega määrab tahkete ainete mikroskoopiline struktuur suuresti nende omadused.
