Bahan pepejal mewakili salah satu daripada empat keadaan pengagregatan di mana perkara di sekeliling kita boleh berada. Dalam artikel ini, kita akan mempertimbangkan sifat mekanikal yang wujud dalam pepejal, dengan mengambil kira keanehan struktur dalamannya.
Apakah itu bahan pepejal?
Mungkin semua orang boleh menjawab soalan ini. Sekeping besi, komputer, kutleri, kereta, kapal terbang, batu, salji adalah semua contoh pepejal. Dari sudut fizikal, keadaan agregat pepejal jirim difahami sebagai keupayaannya untuk mengekalkan bentuk dan isipadunya di bawah pelbagai pengaruh mekanikal. Sifat mekanikal pepejal inilah yang membezakannya daripada gas, cecair, dan plasma. Ambil perhatian bahawa bendalir juga mengekalkan isipadu (tidak boleh mampat).
Contoh bahan pepejal di atas akan membantu untuk memahami dengan lebih jelas betapa pentingnya peranan yang mereka mainkan untuk kehidupan manusia dan perkembangan teknologi masyarakat.
Terdapat beberapa disiplin fizikal dan kimia yang mengkaji keadaan jirim yang sedang dipertimbangkan. Kami hanya menyenaraikan yang paling penting sahaja:
- fizik pepejalbadan;
- mekanik ubah bentuk;
- sains bahan;
- kimia pepejal.
Struktur bahan keras
Sebelum mempertimbangkan sifat mekanikal pepejal, seseorang harus membiasakan diri dengan struktur dalamannya pada peringkat atom.
Pelbagai bahan pepejal dalam strukturnya sangat bagus. Walau bagaimanapun, terdapat klasifikasi sejagat, yang berdasarkan kepada kriteria keberkalaan susunan unsur-unsur (atom, molekul, gugusan atom) yang membentuk badan. Mengikut pengelasan ini, semua pepejal dibahagikan kepada yang berikut:
- kristal;
- amorfus.
Mari kita mulakan dengan yang kedua. Jasad amorf tidak mempunyai struktur yang teratur. Atom atau molekul di dalamnya disusun secara rawak. Ciri ini membawa kepada isotropi sifat bahan amorf, iaitu sifat tidak bergantung pada arah. Contoh badan amorf yang paling menarik ialah kaca.
Badan kristal atau hablur, tidak seperti bahan amorf, mempunyai susunan unsur struktur yang tersusun di angkasa. Pada skala mikro, mereka boleh membezakan antara satah kristal dan baris atom selari. Oleh kerana struktur ini, kristal adalah anisotropik. Selain itu, anisotropi menunjukkan dirinya bukan sahaja dalam sifat mekanikal pepejal, tetapi juga dalam sifat elektrik, elektromagnet, dan lain-lain. Sebagai contoh, kristal turmalin hanya boleh menghantar getaran gelombang cahaya dalam satu arah, yang membawa kepadapolarisasi sinaran elektromagnet.
Contoh kristal adalah hampir semua bahan logam. Ia paling kerap ditemui dalam tiga kekisi kristal: kubik berpusat muka dan berpusat badan (masing-masing fcc dan bcc) dan pek rapat heksagon (hcp). Satu lagi contoh kristal ialah garam meja biasa. Tidak seperti logam, nodnya tidak mengandungi atom, tetapi anion klorida atau kation natrium.
Keanjalan ialah sifat utama semua bahan keras
Dengan menggunakan tegasan terkecil sekalipun pada pepejal, kita menyebabkan ia berubah bentuk. Kadang-kadang ubah bentuk boleh menjadi sangat kecil sehingga tidak dapat disedari. Walau bagaimanapun, semua bahan pepejal berubah bentuk apabila beban luaran dikenakan. Jika, selepas mengeluarkan beban ini, ubah bentuk hilang, maka mereka bercakap tentang keanjalan bahan.
Contoh jelas fenomena keanjalan ialah pemampatan spring logam, yang diterangkan oleh hukum Hooke. Melalui daya F dan tegangan mutlak (mampatan) x, hukum ini ditulis seperti berikut:
F=-kx.
Ini k ialah beberapa nombor.
Dalam kes logam pukal, hukum Hooke biasanya ditulis dari segi tegasan luar yang digunakan σ, regangan relatif ε dan modulus Young E:
σ=Eε.
Modulus Young ialah nilai tetap untuk bahan tertentu.
Ciri ubah bentuk elastik, yang membezakannya daripada ubah bentuk plastik, ialah kebolehbalikan. Perubahan relatif dalam saiz pepejal di bawah ubah bentuk anjal tidak melebihi 1%. Selalunya mereka terletak di kawasan 0.2%. Sifat keanjalan pepejal dicirikan oleh ketiadaan anjakan kedudukan unsur struktur dalam kekisi kristal bahan selepas penamatan beban luar.
Jika daya mekanikal luaran cukup besar, maka selepas penamatan tindakannya pada badan, anda boleh melihat ubah bentuk sisa. Ia dipanggil plastik.
Keplastikan pepejal
Kami telah mempertimbangkan sifat keanjalan pepejal. Sekarang mari kita beralih kepada ciri-ciri keplastikan mereka. Ramai orang tahu dan telah memerhatikan bahawa jika anda memukul paku dengan tukul, ia menjadi leper. Ini adalah contoh ubah bentuk plastik. Pada peringkat atom, ia adalah proses yang kompleks. Ubah bentuk plastik tidak boleh berlaku dalam badan amorf, jadi kaca tidak berubah bentuk apabila dipukul, tetapi runtuh.
Badan pepejal dan keupayaannya untuk berubah bentuk secara plastis bergantung pada struktur kristal. Ubah bentuk yang dianggap tidak dapat dipulihkan berlaku disebabkan oleh pergerakan kompleks atom khas dalam isipadu kristal, yang dipanggil kehelan. Yang terakhir boleh terdiri daripada dua jenis (marginal dan skru).
Daripada semua bahan pepejal, logam mempunyai keplastikan yang paling besar, kerana ia menyediakan sejumlah besar satah gelincir yang diarahkan pada sudut berbeza dalam ruang untuk terkehel. Sebaliknya, bahan dengan ikatan kovalen atau ion akan rapuh. Ini boleh dikaitkanpermata atau garam meja yang disebutkan.
Rapuh dan kekerasan
Jika anda sentiasa menggunakan daya luaran pada mana-mana bahan pepejal, maka lambat laun ia akan runtuh. Terdapat dua jenis kemusnahan:
- rapuh;
- likat.
Yang pertama dicirikan oleh penampilan dan pertumbuhan pesat keretakan. Keretakan rapuh membawa kepada akibat bencana dalam pengeluaran, oleh itu, mereka cuba menggunakan bahan dan keadaan operasinya di mana pemusnahan bahan akan menjadi mulur. Yang terakhir ini dicirikan oleh pertumbuhan retak yang perlahan dan penyerapan sejumlah besar tenaga sebelum kegagalan.
Untuk setiap bahan terdapat suhu yang mencirikan peralihan rapuh-mulur. Dalam kebanyakan kes, penurunan suhu mengubah patah daripada mulur kepada rapuh.
Beban kitaran dan kekal
Dalam kejuruteraan dan fizik, sifat pepejal juga dicirikan oleh jenis beban yang dikenakan padanya. Jadi, kesan kitaran berterusan pada bahan (contohnya, tegangan-mampatan) diterangkan oleh apa yang dipanggil rintangan keletihan. Ia menunjukkan berapa banyak kitaran penggunaan jumlah tegasan tertentu bahan dijamin tahan tanpa putus.
Keletihan bahan juga dikaji di bawah beban tetap, dengan mengukur kadar terikan dari semasa ke semasa.
Kekerasan bahan
Salah satu sifat mekanikal pepejal yang penting ialah kekerasan. Dia mentakrifkankeupayaan bahan untuk menghalang kemasukan badan asing ke dalamnya. Secara empirik, sangat mudah untuk menentukan yang mana antara kedua-dua badan itu lebih sukar. Ia hanya perlu untuk menggaru salah satu daripada mereka dengan yang lain. Berlian adalah kristal yang paling keras. Ia akan mencalar sebarang bahan lain.
Sifat mekanikal lain
Bahan keras mempunyai beberapa sifat mekanikal selain daripada yang dinyatakan di atas. Kami menyenaraikannya secara ringkas:
- kemuluran - keupayaan untuk mengambil pelbagai bentuk;
- kemuluran - keupayaan untuk meregangkan menjadi benang nipis;
- keupayaan untuk menahan jenis ubah bentuk khas, seperti membongkok atau berpusing.
Oleh itu, struktur mikroskopik pepejal sebahagian besarnya menentukan sifatnya.
