Proprietà meccaniche di base dei solidi

Un solido è uno dei quattro stati della materia, incluso il plasma, che può esistere in natura. Questo stato della materia è caratterizzato dal fatto che resiste a qualsiasi forza esterna che agisce su di esso per modificare la forma e il volume del corpo. In altre parole, le proprietà meccaniche dei solidi sono la loro caratteristica distintiva.

Solidi cristallini e amorfi

Prima di considerare le proprietà meccaniche dei solidi, va detto che sono di due tipi in base alla loro struttura atomica:

• cristalli;
• stato amorfo.

Nei corpi cristallini, un ordine a lungo raggio è preservato, cioè, conoscendo la posizione degli atomi in un certo volume minimo di una sostanza, si può descrivere la posizione di tutti gli altri atomi di un cristallo, traducendo gli atomi che sono nel volume minimo in determinati vettori di traduzione.

Nei corpi amorfi, non esiste un ordine a lungo raggio, ma esiste un ordine a corto raggio nella disposizione degli atomi, cioè gli atomi vicini per un dato atomo formano una struttura locale a grappolo, che è la stessa per tutti gli atomi di un corpo amorfo.

La differenza nelle proprietà dei cristalli e dei corpi amorfi

A causa delle differenze nella struttura interna dei cristalli e dei corpi amorfi, molte delle loro proprietà sono diverse, ad esempio, le sostanze cristalline hanno un punto di fusione specifico, per i corpi amorfi, questo valore non è costante. I cristalli sono caratterizzati da anisotropia, cioè dalla dipendenza di varie proprietà fisiche sulla direzione spaziale, mentre i corpi amorfi sono isotropi.

Esempi di cristalli sono ossidi solidi, solfati, metalli, carburi. Le sostanze amorfe comprendono vetro, polimeri, gomma.

Legame chimico nei solidi

Le proprietà meccaniche dei solidi sono in gran parte determinate dal tipo di legami chimici che questi corpi formano. Esistono i seguenti tipi di comunicazione:

• Molecolare. La natura di questa connessione sta nelle interazioni elettriche dipolo-dipolo, che sorgono a causa della polarizzazione istantanea di atomi costituiti da un guscio di elettroni caricati negativamente e un nucleo atomico caricato positivamente. Inoltre, questa relazione si chiama Van der Waalsa. Un vivido esempio di tali cristalli sono quasi tutti composti organici, oltre allo zolfo.
• Covalent. Questo tipo di legame è abbastanza forte da formare legame covalente quando i gusci degli elettroni esterni degli atomi vicini si sovrappongono. Ad esempio, un cristallo di diamante è formato esclusivamente da legami covalenti.
• Metallo. Questo tipo di legame è caratteristico di metalli e leghe. Legame metallico è abbastanza resistente. Si è formato a causa della socializzazione degli elettroni atomici, la cui totalità è chiamata gas di elettroni. Questo gas di elettroni è distribuito attraverso il reticolo cristallino del metallo, i cui nodi sono cationi di atomi.
• Ion. Questa relazione si forma a causa delle interazioni di Coulomb ed è abbastanza forte. Un primo esempio di cristalli con legame ionico è un cristallo di NaCl in cui gli ioni di sodio positivi sono circondati da ioni cloro negativi.

Il seguente articolo elenca le proprietà meccaniche dei solidi, che sono in gran parte legate al tipo di legame tra le loro particelle costituenti e il tipo di disposizione spaziale di queste particelle.

Deformazione elastica

A differenza dei gas e dei liquidi, una caratteristica meccanica distintiva dei solidi è la loro capacità di deformarsi elasticamente. Sotto la deformazione elastica si riferisce alla capacità del corpo di cambiare la sua forma quando esposto a forze esterne, ma poi di nuovo di ripristinare la forma originale quando l'azione di queste forze cessa.

La deformazione elastica è descritta dalla legge di Hooke. La proprietà meccanica dei solidi - l'elasticità nella legge di Hooke generalizzata ha la forma: σ _ij = Σ _{k, l} C _ijkl ε _kl , dove σ _ij è un tensore di stress di secondo ordine, C _ijkl sono costanti elastiche per una data sostanza, ε _kl è un tensore di deformazione relativa. Per il caso lineare ed isotropico, ad esempio lo stiramento elastico di un'asta metallica, la legge di Hooke assume la forma: σ = Eε, dove E è il modulo di Young per un determinato materiale.

Legge di Hooke per la primavera

Una delle semplici formule per le proprietà meccaniche dei solidi è la legge di Hooke per una molla, che può essere scritta come: F = - kx, dove F è la forza esterna, la molla di trazione o di compressione, x è il valore assoluto di compressione o tensione della molla dalla sua posizione di equilibrio in assenza di azione forza esterna, k è la costante elastica, che dipende dal materiale di cui è composta la molla, nonché dalla sua lunghezza.

Secondo la legge di Hooke, è possibile determinare l'energia che una molla immagazzina cambiando la sua lunghezza di una quantità x, questa energia è determinata dalla formula: E = ½kx ² .

Deformazione plastica

Ogni materiale ha un certo limite sul valore della deformazione relativa, dopo di che può collassare o iniziare a deformarsi plasticamente. Per deformazione plastica si intende un cambiamento nella forma del corpo, che rimane dopo la cessazione della forza esterna che lo ha causato.

Non tutti i solidi possono deformarsi plasticamente, per esempio i corpi in cui il legame chimico è covalente o ionico sono fragili, cioè, dopo che il limite di sollecitazione elastico è stato superato, vengono distrutti. La deformazione plastica come proprietà meccanica dei solidi è pronunciata nei materiali metallici. I metalli possono deformarsi plasticamente di decine e persino centinaia di percento senza subire danni meccanici. Questa proprietà dei metalli è dovuta alle loro peculiarità reticoli cristallini e la presenza in loro di strutture atomiche speciali - dislocazioni.

Malleabilità e malleabilità

Lo studio delle proprietà meccaniche dei solidi riguarda anche la durezza e la malleabilità, che sono varietà di deformazione plastica.

Caratteristiche della capacità di alcuni materiali, come i metalli, di dimostrare una deformazione plastica sostenuta di centinaia e migliaia di percento senza distruzione meccanica. La duttilità ti consente di ottenere il filo. Non si deve pensare che i materiali viscosi non possano collassare, tuttavia, a differenza dei materiali non volatili, la loro distruzione avviene dopo che le loro deformazioni hanno raggiunto valori elevati.

La duttilità è un'importante proprietà meccanica dei solidi in fisica, che caratterizza la capacità di deformare plasticamente un materiale senza distruzione a seguito dell'esposizione ad alte pressioni. In contrasto con l'elasticità, che consente di ottenere filamenti sottili, una buona duttilità consente di ottenere lastre sottili. Oro, platino, argento, rame e ferro hanno una buona malleabilità.

Transizione fragile-viscosa

Fragilità e viscosità sono le proprietà meccaniche di base dei solidi, poiché caratterizzano il processo di distruzione di un determinato materiale. Il guasto meccanico si verifica quando una sollecitazione esterna supera un determinato valore o il valore della deformazione diventa significativo. In questo caso, il materiale viene distrutto a causa della propagazione di crepe in esso, poiché le sollecitazioni locali massime si trovano sulla punta della fessura.

La classificazione delle fratture fragili e viscose si basa sulla quantità di energia assorbita durante questa distruzione, che è definita come il prodotto delle tensioni che agiscono e la quantità di deformazione del corpo. Esempi di sostanze che si rompono fragili, cioè la loro energia di distruzione è piccola, sono materiali in vetro e ceramica.

La distruzione dei metalli a determinate temperature è viscosa, cioè avviene con l'assorbimento di grandi quantità di energia. Va notato che la temperatura, così come la composizione chimica e la struttura del solido, sono i principali fattori che determinano se la distruzione sarà fragile o viscosa.

La conoscenza della temperatura di transizione fragile viscoso per un determinato materiale è importante prima di utilizzare questo materiale in qualsiasi struttura.

Durezza del corpo

Se parliamo brevemente delle proprietà meccaniche dei solidi, non possiamo non menzionare la durezza che caratterizza la capacità del corpo di resistere alla penetrazione in esso e all'usura abrasiva. Ad esempio, un albero può essere facilmente graffiato, il che significa che non ha una grande durezza. Al contrario, qualsiasi metallo è molto difficile da graffiare, cioè il valore della durezza è ottimo per questo.

È usando il metodo di "grattare" un corpo con un altro che si può determinare la durezza relativa. I solidi, che sono formati da legami covalenti, hanno grandi valori di durezza e il diamante è il materiale naturale più duro.

Metodi moderni per misurare la durezza

Per studiare le proprietà meccaniche dei solidi in termini di durezza, vengono utilizzate varie installazioni moderne, il cui principio di azione consiste nel premere il penetratore nel materiale e quindi misurare la profondità della sua introduzione sotto un dato carico. Su scala industriale, vengono utilizzati i seguenti metodi per misurare la durezza:

• Durezza Brinell. Il carburo di tungsteno o l'acciaio temprato sono usati come materiale di penetrazione. Il penetratore stesso rappresenta la palla. Questo metodo è facile da implementare, ma in alcuni casi la sua accuratezza non è sufficiente, ad esempio, quando si misurano materiali solidi o lastre con uno spessore inferiore a 6 mm.
• Durezza Rockwell. L'induttore in questo metodo per misurare la durezza è un cono di diamante di piccole dimensioni. Questo metodo è sufficientemente preciso ed è adatto per misurare le caratteristiche fisiche specificate di qualsiasi materiale.
• Durezza Vickers. Una piramide di diamanti viene usata come penetratore. Questo metodo è una versione migliorata della misurazione della durezza Brinell, poiché consente di misurare la durezza delle piastre, il cui spessore supera i 2 mm.