Основные механические свойства твердых тел

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Нгуен Ван Ву

Томский политехнический университет, г. Томск

Научный руководитель –

Твердые тела и материалы, которыми располагает общество, во многом определяют уровень его технического развития. Физика твердого тела служит основой современного материаловедения, она указывает пути создания технически важных твердых тел и материалов с требуемыми свойствами.

Так как применение большинства твердых материалов определяется в первую очередь их механическими свойствами, то из всего разнообразия физических свойств механические свойства твердых тел являются наиболее важными в изучении.

Человечество всегда использовало и будет использовать твердые тела. Но если раньше физика твердого тела не поспевала за развитием технологии, основанной на непосредственном опыте, то теперь положение изменилось. Теоретические исследования начинают приводить к созданию твердых тел, свойства которых совершенно необычны и получить которые методом «проб и ошибок» было бы невозможно. Создание таких устройств, как транзисторы, а затем – электронные микросхемы – яркий пример того, как понимание структуры твердых тел привело к революции во всей радиотехнике и электронике.

Современная техника нуждается в прочных и долговечных материалах с разнообразными механическими и другими свойствами. Чтобы создавать такие материалы, чтобы изменять их свойства в нужном направлении, важно знать, что происходит в реальных твердых телах под действием внешней механической нагрузки, то есть необходимо знать механизм деформации и разрушения.

Создание материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами – одно из основных направлений современной физики твердого тела. Приблизительно половина физиков мира работает сейчас в области физики твердого тела.

Твёрдое тело — это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.

Классификация твёрдых веществ: электрические и некоторые другие свойства твёрдых тел, в основном, определяются характером движения внешних электронов его атомов. Выделяют пять классов твёрдых тел в зависимости от типа связи между атомами:

Ионная связь (например, NaCl). Основными силами являются силы электростатического притяжения. Характерные свойства: в инфракрасной области — отражение и поглощение света в инфракрасной области; при низких температурах — малая электропроводность: при высоких температурах — хорошая ионная проводимость.

Ковалентная связь (например, С (алмаз), Ge, Si).

Металлическая связь (например, Cu, Al).

Молекулярная связь (например, Ar, СН4).

Водородная связь (например, Н2О (лёд), H2F).

По виду зонной структуры твёрдые тела классифицируют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

По магнитным свойствам твёрдые тела делятся на диамагнетики, парамагнетики и тела с упорядоченной магнитной структурой.

Основными механическими свойствами металлов и их сплавов являются:

Прочность, Пластичность,

Упругость, Вязкость, Твердость

Прочность – способность металла сопротивляться деформации и разрушению.

Большинство характеристик прочности определяют при испытаниях на статическое растяжение (плавно возрастающее).

При этом испытуемый образец закрепляют в захватах разрывной машины и деформируют при плавно возрастающей (статической) нагрузке.

Чтобы исключить влияние размеров образца, испытание проводят на стандартных образцах с определенным соотношением между расчетной длиной и площадью поперечного сечения (начальной).

Цилиндрические (а) и плоские (б) образцы, применяемые при испытании на растяжение: - начальный диаметр образца,   - начальная толщина,   - начальная ширина,   - начальная расчетная длина,   - рабочая длина, D - диаметр головок, В - ширина захватов, L - общая длина образца ширина захватов, L - общая длина образца.

Наиболее широко применяются образцы круглого сечения.

По результатам испытаний строят диаграммы растяжения образца в координатах:

«нагрузка – деформация» или «напряжение – деформация».

На этой диаграмме по кривой растяжения определяют четыре основных характеристики механических свойств металла: Предел пропорциональности  – это максимальное напряжение до которого сохраняется линейная зависимость между нагрузкой и деформацией:                ?пц = Рпц / Fo, МПа. 2.        Предел упругости – максимальное напряжение, до которого образец испытывает только упругую
деформацию.                 ?у = Ру / Fo, МПа        Если напряжения меньше ?у, металл работает в области упругой деформации.        У большинства металлов пределы пропорциональности и упругости близки по величине, поэтому в основном указывают предел упругости        ?упр ? ?0,02

3.        Предел текучести:

(Физический предел - это напряжение при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке.)

?т = Рт / Fo, МПа.

(Условный предел - ?0,2 – остаточная деформация равна 0,2% от начальной длины.)

4.        Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – это напряжение максимальной нагрузки, которую выдерживает образец до разрушения:

?в = Рв / Fo, МПа.

       Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к разрушению образца.

       При деформации растяжением изменяются длина образца и площадь поперечного сечения. Первая – увеличивается; вторая – уменьшается.

Определение конечной расчетной длины при разрыве образца в средней части

Основные характеристики пластичности металлов

Пластичность – способность металла изменять форму и размеры без нарушения сплошности.

Это свойство, то есть пластичность, используют при различных видах обработки металлов давлением:

ковке, штамповке, прессовании, волочении и т. д.

Образование местного сужения

Шейки при испытании образца на растяжение

Характеристики пластичности металлов:

Относительное удлинение (?) измеряется в % и определяется по формуле:

Здесь и - начальная и конечная длины образца до и после (разрыва) испытания.

Относительное сужение (?) также измеряется в % и определяется по формуле:

Здесь и   – начальная и конечная площади поперечного сечения образца до и после испытания (разрушения).

Твёрдость металлов

Твёрдость металла – это сопротивление вдавливанию в его поверхность специального инструмента (индентора) в виде шарика, конуса или пирамиды из различных твёрдых материалов, а также сопротивление царапанию.

Испытание на твёрдость – один из основных методов оценки качества изделия.

Наибольшее распространение на практике получили методы измерения твёрдости:

по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу,

и метод измерения микротвёрдости.

Преимуществами способа измерения твёрдости по Роквеллу являются:

быстрота измерений, возможность измерять твёрдость закаленных сталей и других очень твердых материалов, возможность измерять твёрдость тонких изделий, покрытий и слоёв толщиной до 0,4 – 0,7 мм.

Ударная вязкость

Ударная вязкость – способ оценки прочности и вязкости металлов.

Для оценки вязкости металлов проводят ударные испытания надрезанных образцов на маятниковых копрах.

Вязкость оценивают:

По величине нагрузки,

;

По виду излома образцов:

- Кристаллическому – для хрупких материалов,

- Волокнистому для пластичных.

Упругость металлов

Упругостью называется способность металлов изменять форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать измененную форму после того, как нагрузка перестает действовать.

Необходимо учитывать размеры образца, поэтому, так же как и при определении прочности, нужно найти отношение данной предельной нагрузки   к площади первоначального поперечного сечения образца .

Найденная таким путем величина называется пределом упругости и обозначается

Таким образом, мы знаем классификацию твёрдых веществ, основные механические свойства металлов.

Список литературы

Упругость металлов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://delta-grup. ru/bibliot/18/10.htm Механические Свойства Твердых Тел [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://sfiz. ru/page. php? id=38 Твёрдое тело[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru. wikipedia. org/wiki/Твёрдое_тело