Управление свойствами твердых тел доклад по физике

Обновлено: 02.07.2024

Общая характеристика и значение основных механических свойств твердых тел, направления их регулирования и воздействий: деформация, напряжение. Классификация и типы деформации: изгиба, кручения и сдвига. Пластическое течение кристаллов. Закон Гука.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	27.05.2013
Размер файла	782,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Механические свойства твердых тел

1. Деформация

Деформация (от лат. deformatio - искажение), изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением. Деформация представляет собой результат изменения междуатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин междуатомных сил, мерой которого является упругое напряжение.

Наиболее простые виды деформации тела в целом: растяжение - сжатие, сдвиг, изгиб, кручение. В большинстве случаев наблюдаемая деформация представляет собой несколько деформации одновременно. В конечном счёте, однако, любую деформации можно свести к 2 наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу. Деформация тела вполне определяется, если известен вектор перемещения каждой его точки. Деформация твёрдых тел в связи со структурными особенностями последних изучается физикой твёрдого тела, а движения и напряжения в деформируемых твёрдых телах - теорией упругости и пластичности. У жидкостей и газов, частицы которых легкоподвижны, исследование деформации заменяется изучением мгновенного распределения скоростей.

Деформация твёрдого тела может явиться следствием фазовых превращений, связанных с изменением объёма, теплового расширения, намагничивания (магнитострикционный эффект), появления электрического заряда (пьезоэлектрический эффект) или же результатом действия внешних сил. Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки, и пластической, если после снятия нагрузки она не исчезает (во всяком случае полностью). Все реальные твёрдые тела при деформации в большей или меньшей мере обладают пластическими свойствами. При некоторых условиях пластическими свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, т.е. не обнаруживающим заметных пластических деформаций, пока нагрузка не превысит некоторого предела.

Природа пластической деформации может быть различной в зависимости от температуры, продолжительности действия нагрузки или скорости деформации. При неизменной приложенной к телу нагрузке деформация изменяется со временем; это явление называется ползучестью. С возрастанием температуры скорость ползучести увеличивается. Частными случаями ползучести являются релаксация и последействие упругое. Релаксация - процесс самопроизвольного уменьшения внутреннего напряжения с течением времени при неизменной деформации. Процесс самопроизвольного роста деформации с течением времени при постоянном напряжении называется последействием. Одной из теорий, объясняющих механизм пластической деформации, является теория дислокаций в кристаллах.

Простейшей элементарной деформацией является относительное удлинение некоторого элемента: , где - длина элемента после Д., - первоначальная длина этого элемента. На практике чаще встречаются малые Д., так что .

Измерение деформации производится либо в процессе испытания материалов с целью определения их механических свойств, либо при исследовании сооружения в натуре или на моделях для суждения о величинах напряжений. Упругие деформации весьма малы, и измерение их требует высокой точности. Наиболее распространённый метод исследования деформации - с помощью тензометров. Кроме того, широко применяются тензодатчики сопротивления, поляризационно-оптический метод исследования напряжения, рентгеновский структурный анализ. Для суждения о местных пластических деформаций применяют накатку на поверхности изделия сетки, покрытие поверхности легко растрескивающимся лаком и т.д.

2. Напряжение

Напряжение механическое, мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием внешних воздействий. При изучении напряжении в любой точке проводят сечение тела через эту точку. Взаимодействие соприкасающихся по сечению частей тела заменяют силами. Если на элементарную площадку , окружающую точку М, действует сила то предел отношения lim = р называется напряжением в точке М по площадке ДS; эта величина является векторной. Составляющие вектора напряжения: по нормали к сечению - нормальное напряжение , а в плоскости сечения - касательное - , причём . Совокупность всех векторов напряжения для всех площадок, проходящих через точку М, характеризует напряжённое состояние в точке. Оно полностью определяется тензором напряжений, компоненты которого , , , , , и есть напряжении по граням бесконечно малого параллелепипеда, выделенного около данной точки.

В пределах упругости материала зависимость между напряжением и деформациями описывается соотношениями теории упругости; в упругопластическом состоянии - уравнениями теории пластичности. Опытное изучение напряжения производится методом тензометрии, а также с помощью оптических методов (например, поляризационно-оптического метода исследования напряжений).

3. Закон Гука

деформация напряжение твердый гук

Гука закон, основной закон, выражающий связь между напряжённым состоянием и деформацией упругого тела. Установлен англ. физиком Р. Гуком в 1660 для простейшего случая растяжения или сжатия стержня в форме: абсолютное удлинение (укорочение) Дl цилиндрического стержня прямо пропорционально растягивающей (сжимающей) силе N, т.е. , где - длина стержня, S - площадь его поперечного сечения, Е модуль продольной упругости, являющийся механической характеристикой (константой) материала]. Закон Гука удобно представлять также в форме - где - нормальное напряжение в поперечном сечении, - относительное удлинение (укорочение) стержня.

При сдвиге закон Гука записывается так: , где - касательное напряжение, - сдвиг, G - т. н. модуль сдвига; при сдвиге касательное напряжение прямо пропорционально сдвигу.

Обобщённый закон Гука - для тела произвольной формы - утверждает, что 6 величин, определяющих напряжённое состояние в точке, выражаются линейно через 6 величин, определяющих деформацию в окрестности рассматриваемой точки. Коэффициент пропорциональности в этих соотношениях называются модулями упругости. В анизотропных телах, например в кристаллах, модули упругости различны в разных направлениях, поэтому в общем случае упругие свойства твёрдого тела характеризуются с помощью 21 модуля упругости. Для изотропных тел число независимых упругих постоянных сводится к двум.

Закон Гука не имеет места, когда некоторые напряжения (или деформации) достигают предельных значений, характерных для каждого материала, и тело переходит в упруго-пластическое состояние. Закон Гука является основным соотношением, применяемым при расчёте на прочность и деформируемость конструкций и сооружений.

4. Деформация изгиба

Изгиб в сопротивлении материалов, вид деформации, характеризующийся искривлением (изменением кривизны) оси или срединной поверхности деформируемого объекта (бруса, балки, плиты, оболочки и др.) под действием внешних сил или температуры. Применительно к прямому брусу различают изгиб: простой, или плоский, при котором внешние силы лежат в одной из главных плоскостей бруса (т.е. плоскостей, проходящих через его ось и главные оси инерции поперечного сечения); сложный, вызываемый силами, расположенными в разных плоскостях; косой, являющийся частным случаем сложного изгиб. В зависимости от действующих в поперечном сечении бруса силовых факторов (рис. 1, а, б) изгиб называется чистым (при наличии только изгибающих моментов) и поперечным (при наличии также и поперечных сил). В инженерной практике рассматривается также особый случай изгиба - продольный изгиб (рис. 1, в), характеризующийся выпучиванием стержня под действием продольных сжимающих сил. Одновременное действие сил, направленных по оси стержня и перпендикулярно к ней, вызывает продольно-поперечный изгиб. (рис. 1, г).

Приближённый расчёт прямого бруса на действие изгиба в упругой стадии производится в предположении, что поперечные сечения бруса, плоские до изгиба, остаются плоскими и после него (гипотеза плоских сечений); полагают также, что продольные волокна бруса при изгибе не давят друг на друга и не стремятся оторваться одно от другого. При плоском изгибе в поперечных сечениях бруса возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения в произвольном волокне какого-либо поперечного сечения бруса (рис. 2), лежащем на расстоянии y от нейтральной оси, определяются формулой где Mz - изгибающий момент в сечении, a Iz - момент инерции поперечного сечения относительно нейтральной оси. Наибольшие нормальные напряжения возникают в крайних волокнах сечения ( - момент сопротивления поперечного сечения). Касательные напряжения , возникающие при поперечном изгибе, определяются по формуле Д.И. Журавского где Qy - поперечная сила в сечении, Sz - статический момент относительно нейтральной оси части площади поперечного сечения, расположенной выше (или ниже) рассматриваемого волокна, b - ширина сечения на уровне рассматриваемого волокна.

Характер изменения изгибающих моментов и поперечных сил по длине бруса обычно изображается графиками-эпюрами, по которым определяются их расчётные значения. Под влиянием изгибе ось бруса искривляется, ее кривизна определяется выражением где - радиус кривизны оси изогнутого бруса в рассматриваемом сечении; Е - модуль продольной упругости материала бруса. В случаях малых деформаций кривизна приближённо выражается второй производной от прогиба V, а поэтому между координатами изогнутой оси и изгибающим моментом существует дифференциальная зависимость , называемая дифференциальным уравнением оси изогнутого бруса. Решением этого уравнения определяется упругая линия балки (бруса).

Расчёт бруса на изгиб с учётом пластических деформаций приближённо производится в предположении, что при возрастании нагрузки (изгибающего момента) первоначально в крайних точках (волокнах), а затем и во всём поперечном сечении возникают пластические деформации. Распределение напряжений в предельном состоянии имеет вид двух прямоугольников с ординатами, равными пределу текучести материала т, при этом кривизна бруса неограниченно возрастает. Такое состояние в сечении называется пластическим шарниром, а соответствующий ему момент является предельным и определяется по формуле

в которой S1 и S2 - статические моменты сжатой и растянутой частей сечения относительно нейтральной оси.

Рис. 1. Изгиб бруса: а - чистый: б - поперечный; в-продольный; г - продольно-поперечный.

Рис. 2. Чистый изгиб прямого бруса в упругой стадии: а - элемент бруса; б - поперечное сечение; в-эпюра нормальных напряжений.

5. Деформация кручения

(в сопротивлении материалов), вид деформации, характеризующийся взаимным поворотом поперечных сечений стержня, вала и т.д. под влиянием моментов (пар сил), действующих в этих сечениях. Поперечные сечения круглых стержней (валов) при кручении остаются плоскими; при кручении призматических стержней происходит т. н. депланация сечения (последнее не будет плоским). Если депланация в разных сечениях различна, то наряду с касательными напряжениями в поперечных сечениях стержня возникают также нормальные напряжения. В этом случае кручение называется стеснённым. При свободном кручении (когда депланация во всех сечениях одинакова) в поперечном сечении возникают только касательные напряжения.

Наиболее часто встречающимся в практике случаем является кручение круглого прямого стержня (рис. 3). В результате действия крутящего момента Мк в поперечных сечениях стержня возникают касательные напряжения , а сечения стержня (расстояние между которыми равно l) поворачиваются одно относительно другого на угол закручивания . Угол закручивания на единицу длины стержня называют относительным углом закручивания . При свободном К. в упругой стадии относительный угол закручивания и наибольшие касательные напряжения max определяются по формулам:

где G - модуль упругости при сдвиге; Iк и Wк - условный момент инерции и момент сопротивления при кручении. В круглых сечениях Iк представляет собой полярный момент инерции Ip =r4/2, а Wк - полярный момент сопротивления . Для прямоугольных сечений с большей стороной h и меньшей b:, , где коэффициенты и определяются в зависимости от отношения h/b по таблицам. Для узких сечений ) можно принимать .

При кручении круглого вала в упругой стадии касательного напряжения распределяются в поперечном сечении по линейному закону (рис. 4, а) и определяются по формуле где - расстояние от оси вала до рассматриваемой точки сечения. В упруго-пластической стадии касательные напряжения при кручении, соответствующие пределу текучести фт, распространяются от поверхности к оси вала (рис. 4, б). В предельном состоянии пластическая зона распределяется до оси вала (рис. 4, в), при этом предельный крутящий момент для круглого сечения:

Понятие кручение распространяется также и на действие внутренних касательных сил, возникающих при деформации пластинок и оболочек.

Рис. 3. Кручение круглого вала, защемленного одним концом

Рис. 4. Распределение касательных напряжений в сечении круглого вала: а - в упругой стадии, б - в упруго-пластической, в - в пластической.

6. Деформация сдвига

Сдвиг в сопротивлении материалов, деформация упругого тела, характеризующаяся взаимным смещением параллельных слоев (волокон) материала под действием приложенных сил при неизменном расстоянии между слоями. Пример сдвига: деформация прямоугольного бруса (рис. 5), основание которого закреплено, а к верхней грани приложена сдвигающая сила, параллельная основанию. Величиной перемещения cc1=dd1 определяется абсолютный сдвиг, а углом y (вследствие малости деформаций - относительный сдвиг. Если по граням бруса действуют только касательные напряжения (рис. 6), сдвиг называется чистым; для такого сдвига справедливо соотношение , где - модуль упругости при сдвиге. Чистый сдвиг - частный случай плоского напряжённого состояния. Поэтому его можно рассматривать на основе одной из теорий прочности. Проверка прочности материала на сдвиг. производится для болтовых и заклёпочных соединений, сварных швов, врубок и т.п.

7. Пластическое течение кристаллов

Пластическое течение твердых кристаллических тел происходит путем осцилляций, осуществляемых по схеме кристаллографический сдвиг + ориентационный поворот. Вместе эти два процесса образуют трансляционно-ротационную волну пластической деформации.

Пластическое течение кристаллов под действием механического напряжения осуществляется путем перемещения дефектов кристаллической решетки. При не слишком высоких температурах, когда скорость диффузии точечных дефектов не велика, деформация определяется процессами размножения и движения дислокаций, а также двойникованием.

Список используемой литературы

2. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 2001. - 560 с.

3. Варданян Г.С., Андреев В.И., Атаров Н.М., Горшков А.А. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. М.: АСВ, 1995. 572 с.

4. Дарков А.В., Шапиро Г.С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1975. 654 с.

Подобные документы

Анализ зависимости веса тела от ускорения опоры, на которой оно стоит, изменения взаимного положения частиц тела, связанного с их перемещением друг относительно друга. Исследование основных видов деформации: кручения, сдвига, изгиба, растяжения и сжатия.

презентация [2,9 M], добавлен 04.12.2011

Физика твердого тела – один из столпов, на которых покоится современное технологическое общество. Физическое строение твердых тел. Симметрия и классификация кристаллов. Особенности деформации и напряжения. Дефекты кристаллов, способы повышения прочности.

презентация [967,2 K], добавлен 12.02.2010

Свойства независимых комбинаций продольной и поперечной объемных волн. Закон Гука в линейной теории упругости при малых деформациях. Коэффициент Пуассона, тензоры напряжения и деформации. Второй закон Ньютона для элементов упругой деформированной среды.

реферат [133,7 K], добавлен 15.10.2011

Свойства твердых тел. Основные виды деформации. Основные допущения о свойствах материалов и характере деформирования. Геометрическая схематизация элементов строительных конструкций. Внешнее воздействие на тело. Классификация нагрузок. Крутящий момент.

реферат [2,4 M], добавлен 28.01.2009

Кристаллическое и аморфное состояния твердых тел, причины точечных и линейных дефектов. Зарождение и рост кристаллов. Искусственное получение драгоценных камней, твердые растворы и жидкие кристаллы. Оптические свойства холестерических жидких кристаллов.

реферат [1,1 M], добавлен 26.04.2010

Аксиоматика динамики. Первый закон Ньютона (закон инерции). Сущность принципа относительности Галилея. Инертность тел. Область применения механики Ньютона. Закон Гука. Деформации твердых тел. Модуль Юнга и жесткость стержня. Сила трения и сопротивления.

презентация [2,0 M], добавлен 14.08.2013

Структура кристаллов. Роль, предмет и задачи физики твердого тела. Кристаллические и аморфные тела. Типы кристаллических решеток. Типы связей в кристаллах. Кристаллические структуры твердых тел. Жидкие кристаллы. Дефекты кристаллов.

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.

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.

1.1 Кристаллические тела

Твердые тела сохраняют не только свой объем, как жидкости, но и форму. Твердые тела находятся преимущественно в кристаллическом состоянии.

Кристаллы – это твердые тела, атомы и молекулы которых занимают определенные упорядоченные положения в пространстве. Следствие этого – правильная внешняя форма кристалла.

Анизотропия кристаллов

Правильная внешняя форма – не единственное, и даже не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Прежде всего бросается в глаза различная механическая прочность кристалла по разным направлениям. Например, легко расслаиваются по одному направлению кристаллы графита. Когда мы пишем карандашом, такое расслоение происходит непрерывно, и тонкие слои графита остаются на бумаге. Это происходит потому, что кристаллическая решетка графита имеет слоистую структуру. Слои образованы рядом параллельных плоских сеток, состоящих из атомов углерода. Атомы располагаются в вершинах правильных шестиугольников. Расстояние же между слоями сравнительно велико, поэтому связи между слоями менее прочны, чем связи внутри них.

Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. Зависят от направления и оптические свойства кристаллов.

Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией. Все кристаллические тела анизотропны.

Поликристаллы и монокристаллы

Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическим. Типичные представители поликристаллов – металлы. На первый взгляд их кристаллическое строение никак не проявляется. Большой кусок металла анизотропен. Дело в том, что кристаллики ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и их свойства одинаковы по всем направлениям. Каждый же кристаллик анизотропен.

Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

1.2 Аморфные тела

Аморфными называют вещества, не обладающие в конденсированном состоянии кристаллическим строением, но обладающие, в отличие от жидкостей, упругостью формы (модуль сдвига не равен нулю).

В аморфном состоянии могут находиться, например обычные (неорганические) стекла, сера, селен, глицерин и большинство высокомолекулярных соединений.

У аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы располагаются в некотором порядке. Но строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет.

Все аморфные тела изотропны – их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

Аморфные вещества при определенных условиях стеклуются, т. е. переходят от свойств и закономерностей жидкого состояния к свойствам и закономерностям твердого состояния. Переход аморфного вещества из жидкого состояния в твердое при изменении температуры или давления называется структурным стеклованием. При таком переходе меняются объем, теплосодержание, а также механические, электрические и другие свойства вещества.

Стеклование и размягчение совершаются в довольно широкой температурной области – до нескольких десятков градусов. Поэтому в отличие от кристаллических тел, аморфные тела не обладают какой-то определенной температурой плавления.

Деформация и разрушение твердых тел под действием приложенных сил – это основные явления, определяющие механические свойства материалов.

Деформацией называется изменение формы или объема тела.

Жидкости сопротивляются изменению их объема, но не сопротивляются изменению формы. Твердые же тела сопротивляются как изменению формы, так и изменению объема. Они сопротивляются, как говорят, любому деформированию.

Давления, возникающие в твердом теле при его деформировании, называются упругими напряжениями. Напряжение – это сила, отнесенная к единице площади:

Деформации, которые полностью исчезают при прекращении действия внешних сил, называются упругими.

Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими.

Существует определенная (для каждого тела) пороговая величина напряжения, начиная с которой в теле появляется пластическая деформация. Эта величина называется пределом упругости. При меньших напряжениях снятие нагрузки возвращает тело в исходное состояние; при больших напряжениях после снятия нагрузки в теле остаются остаточные, пластические, деформации.

Любые деформации твердых тел можно свести к двум видам – растяжению (или сжатию) и сдвигу.

2.1 Растяжение (сжатие)

Если к однородному стержню, закрепленному на одном конце, приложить силу F вдоль оси стержня в направлении от него, то стержень подвергнется деформации растяжения.

Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением:

где l₀ и l – начальная и конечная длина стержня.

Благодаря большой сопротивляемости твердых тел, испытываемые ими под влиянием внешних сил деформации обычно невелики. При малом относительном удлинении деформации большинства тел упругие.

При малых деформациях напряжение прямо пропорционально относительному удлинению. Эта зависимость носит название закона Гука:

где коэффициент Е характеризует материал тела и называется модулем Юнга. Так как относительное удлинение – величина безразмерная, то размерность модуля Юнга совпадает с размерностью напряжения, то есть модуль Юнга имеет размерность давления.

Растяжение относится к однородным деформациям, то есть к таким, при которых все элементы объема тела деформируются одинаковым образом.

Тесно связанной с простым растяжением, но неоднородной деформацией является изгиб тонкого стержня. При изгибе одна сторона – выпуклая – подвергается растяжению, а другая – вогнутая – сжатию. Внутри изгибаемого тела расположен слой, не испытывающий ни растяжения, ни сжатия, называемый нейтральным.

Вблизи нейтрального слоя тело почти не испытывает деформаций. В этом слое малы и возникающие при деформации силы. Следовательно, площадь поперечного сечения изгибаемой детали в окрестности нейтрального слоя можно значительно уменьшить. В современной технике и строительстве вместо стержней и простых брусьев повсеместно применяют трубы, двутавровые балки, рельсы, швеллеры, чем добиваются облегчения конструкций и экономии материала.

2.2 Сдвиг

Сдвигом называется деформация, при которой все плоские слои твердого тела параллельны некоторой плоскости (плоскости сдвига), не искривляясь и не изменяясь в размерах, смещаются параллельно друг другу .

Сдвиг происходит под действием силы F, приложенной касательно к грани ВС, параллельной плоскости сдвига. Грань AD закреплена неподвижно. Мерой деформации является угол сдвига (относительный сдвиг), выраженный в радианах.

Для малых деформаций (при упругих деформациях) по закону Гука относительный сдвиг пропорционален касательному (скалывающему) напряжению:

где G – модуль сдвига, численно равный касательному напряжению, вызывающему относительный сдвиг, равный единице.

Рассмотренный нами сдвиг прямоугольного бруска представляет собой однородную деформацию.

Деформацией чистого сдвига, но неоднородной, является кручение стержня. Она возникает, если, закрепив один конец стержня, закрутить его второй конец. При этом различные сечения стержня будут поворачиваться на различные углы относительно закрепленного основания.

2.3 Диаграммы деформации

Большое количество твердых материалов служит для изготовления конструкций (сооружений, машин, механизмов), основное назначение которых – сопротивление деформации. Конструктор должен заранее знать поведение материалов при значительных деформациях, условия, при которых материалы начнут разрушаться.

Сведения о механических свойствах различных материалов получают экспериментально. Сопротивление деформации, как правило, определяют по диаграммам деформации в координатах . Эти диаграммы аттестуют материал, определяя его механические свойства (предел текучести, деформирующее напряжение, интенсивность деформационного упрочнения, предел прочности и др.).

Рассмотрим механические свойства твердого тела на примере исследования деформации растяжения. Для проведения этого исследования стержень из исследуемого материала при помощи специальных устройств подвергают растяжению и измеряют удлинение образца и возникающее в нем напряжение. По результатам опытов вычерчивают график зависимости напряжения от относительного удлинения – диаграмму растяжения.

При небольших деформациях (при малых напряжениях) выполняется закон Гука (участок ОА).
Максимальное напряжение s_п, при котором еще выполняется закон Гука, называют пределом пропорциональности.
Если увеличить нагрузку, то деформация становится нелинейной. Тем не менее при небольших нелинейных деформациях после снятия нагрузки форма и размеры тела практически восстанавливаются (участок АВ).
Максимальное напряжение, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не превышает 0,1 %), называют пределом упругости s_уп. Предел упругости превышает предел пропорциональности лишь на сотые доли процента. Значения предела упругости зависят не только от вещества тела. Оно сильно меняется в зависимости от способа приготовления образца, его предварительной обработки, наличия в нем примесей и т.д. Так, предел упругости монокристаллов алюминия составляет всего 4 кгс/см 2 , а технического алюминия – 1000 кгс/см 2 (примерно 10 8 Па).
При напряжении, превышающем предел упругости образец остается деформированным после снятия напряжения. По мере увеличения нагрузки деформация нарастает все быстрее и быстрее (участок ВС).
При некотором значении напряжения, соответствующем на диаграмме точке С, удлинение нарастает практически без увеличения нагрузки. Это явление называют текучестью материала (участок СD).
Далее с увеличением деформации кривая напряжений начинает немного возрастать и достигает максимума в точке Е. Затем напряжение быстро спадает и образец разрушается (точка К). Разрыв происходит после того, как напряжение достигает максимального значения s_пч, называемого пределом прочности – образец растягивается без увеличения внешней нагрузки вплоть до разрушения. Эта величина зависит от материала образца и его обработки.

Повышение пределов прочности таких широко используемых в технике материалов, как сталь, чугун, алюминий, медь и многих других является задачей исключительной важности.

Сравнение реальной прочности кристаллов со значениями, полученными на основании теоретических расчетов, обнаруживает весьма существенные расхождения: теоретический предел прочности в десятки и даже сотни раз превосходит значения, получаемые при испытании реальных образцов! Это означает, что на изготовление станков и машин, железных дорог и трубопроводов расходуется в десятки и сотни раз больше материалов, чем это было бы необходимо при получении материалов, обладающих такой прочностью, какая предсказана теорией. Поэтому физикам и инженерам очень важно было узнать, по какой причине реальная прочность твердых тел оказывается значительно меньше величин, рассчитанных для идеальной модели.

Оказалось, что причина расхождения теории и эксперимента – в наличии внутренних и поверхностных дефектов, существование которых не учитывалось в расчетах.

3.1 Дефекты в кристаллах

Уже сам факт сильной зависимости пластических свойств тела от его обработки, наличия примесей и т.п. указывает на тесную связь этих свойств с особенностями кристаллического строения реальных тел – особенностями, отличающими реальные кристаллы от идеальных.

О нарушениях идеальной кристаллической структуры говорят как о дефектах кристаллов. Наиболее простой тип дефектов (которые можно назвать точечными) состоит в отсутствии атома в узле решетки (свободная вакансия) или в замене «правильного атома в узле чужеродным (атомом примеси), во внедрении лишнего атома в межузельное пространство и т.п. Нарушение правильности структуры решетки распространяется на небольшое (порядка величины нескольких периодов) расстояние вокруг такой точки.

Наиболее важную роль в механических свойствах твердых тел играют, однако, дефекты другого рода, которые можно назвать линейными, поскольку нарушение правильности структуры кристаллической решетки сосредоточено вблизи нескольких линий. Эти дефекты называют дислокациями.

В краевой дислокации направление сдвига перпендикулярно, а в винтовой – параллельно линии дислокации. Между этими двумя предельными случаями возможны любые промежуточные. Линии дислокации не обязательно прямые: они могут быть и кривыми, в том числе образовывать замкнутые петли.

3. 2 Способы повышения прочности твердых тел

Для получения материалов с высокой прочностью на разрыв и сдвиг, т.е. с большим сопротивлением пластической деформации, необходимо:

а) либо уменьшить в них число дислокаций,

б) либо создать условия, затрудняющие перемещения дислокаций.

Препятствием перемещению дислокации может служить другая дислокация, встретившаяся на ее пути. Поэтому при увеличении числа дислокаций в единице объема прочность кристалла сначала уменьшается, а затем начинает возрастать. Это обстоятельство иллюстрируется на графике зависимости предела прочности от числа дефектов в единице объема кристалла.

Способ повышения прочности твердых тел путем получения кристаллов с очень малым количеством дислокаций пока еще не используется в промышленности. Большинство современных методов упрочнения материалов основано на противоположном способе, состоящем в искажении кристаллической структуры путем создания в ней различного рода дефектов – введением примесей, созданием дислокаций. Например, при легировании стали – введении в расплав небольших добавок хрома, вольфрама и других элементов – ее прочность увеличивается примерно втрое. При протяжке, дробеструйной обработке металлов и т.п. происходит так называемый наклеп, приводящий к увеличению плотности дислокаций и повышению прочности. Например, после протяжки бруска углеродистой стали предел прочности возрастает втрое.

Обработка металлов давлением приводит к уменьшению размеров кристаллов и увеличению дефектов структуры внутри самих зерен. И то и другое мешает передвижению дислокаций и приводит к значительному повышению прочности.

Использование научных достижений в металлургии позволило получать алюминиевые сплавы, не уступающие по прочности легированным сталям. Лучшие марки стали 30-х годов обладали прочность на разрыв 10 9 Па, а современные – 2,3х10 9 Па.

Приблизить практическую прочность металлов к теоретической можно и другим способом – высокоскоростной кристаллизацией. На основе высокоскоростной кристаллизации и последующего горячего прессования разработана технология производства, например, дисков из никелевых сплавов для газотурбинных двигателей. Таким способом жаропрочность дисков была повышена более чем в полтора раза. Это дало возможность уменьшить массу агрегатов, повысить рабочие температуры, увеличить срок службы двигателей.

Кабардин О. Ф., Кабардин С. И., Шефер Н. И. Факультативный курс физики. Учеб. пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1986. – С. 50-61.
Конева Н. А. Природа стадий пластических деформаций. Соросовский образовательный журнал, № 10, 1998. – С. 99-105.
Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, М.: Наука, 1969. С. 316-335.
Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов.– М.: Наука, 1978. С. 281-291.

ГОСТ

Твердые тела обладают рядом специфических признаков и свойств. Они определяются различными параметрами и характерными чертами. В основе изучения этих свойств лежит познавательный процесс всего окружающего нас мира. Это входит в фундаментальные основы физики. Исследование сегодня проводятся не только на макроуровне, но и постигаются признаки привычных нам твердых тел, из которых состоит практически все вокруг.

Рисунок 1. Основные свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Типы твердых тел

Все твердые тела делятся на два основных типа:

аморфные тела;
тела с кристаллической структурой.

Твердые тела состоят из многообразия бесконечных молекулярных связей. Без использования различных твердых тел, которые обладают отличными друг от друга специфическими свойствами невозможно сегодня представить себе развитие науки и техники. В настоящее время металлы и другие диэлектрики активно используются в электротехники, электронике различного уровня.

В основе такого оборудования лежат полупроводники, которые обладают уникальными свойствами, позволяющими совершать научно-технический прогресс ускоренными темпами. Это и различные магниты, сверхпроводники, иные новые материалы с полезными характеристиками. Поэтому изучение физики твердого тела напрямую связано с дальнейшим развитием науки и технологий.

Взаимодействие частиц порождают появление особенных свойств у твердых тел с кристаллической структурой внутреннего строения. Коллективные свойства электронов могут определять степень электропроводности различных твердых тел. Характер коллективного колебания атомов при взаимодействии определенной температурой позволяет говорить о способности к теплоемкости. Оно возникает в том случае, когда тела могут поглощать тепло в определенных пределах. Одни твердые тела более предрасположены к поглощению тепла и нагреваются сильнее, другие – нет.

Готовые работы на аналогичную тему

В кристаллах внутренняя структура вещества предполагает наличие кристаллической решетки. В таких твердых телах молекулы или атомы выстраиваются совершенно определенным и упорядоченным образом в пространстве. Кристаллы имеют плоские грани, а также строгую периодичность расположения узлов и элементов всей конструкции. По-иному устроены твердые тела аморфного типа. Они состоят из большого и беспорядочного скопления атомов.

Кристаллические тела обладают свойствами анизотропности, что предполагает зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. Все металлы имеют кристаллическую структуру, поэтому именно их человечество сегодня использует в качестве основного материала для строительства. Однако металлы в обычном своем состоянии не обнаруживают свойств анизотропности.

Есть случаи, когда одно и то же вещество может находиться в аморфном и кристаллическом состоянии.

Свойства аморфных тел

Аморфные твердые тела имеют признаки изотропности. Иными словами, физические свойства таких тел будут иметь одинаковые показатели по всем направления изучения. К таким телам часто относят стекло, смолу, леденцы. При определенном уровне внешних силовых воздействиях такие твердые тела преобразуются в иное состояние или приобретают иные признаки. К основным свойствам аморфных тел относят:

Упругость при этом подобно основным параметрам всех твердых тел, а текучесть имеет признаки жидкости. Такие тела при кратковременном силовом физическом воздействии ведут себя как твердые тела, обладая упругостью. Однако при более сильных и активных воздействиях могут расколоться на части. Если взаимодействия происходят интенсивно и на протяжении большого количества времени, тогда твердые тела подвержены текучести.

Рисунок 2. Особые свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Молекулы и атомы аморфных тел, как и в жидкостях имеют определенное время колебаний около положения равновесия. Время такого положения в отличие жидкости не такое большое, поэтому их по внутренним свойствам приближают к кристаллическим. Атомы не перестраиваются из одного положения в другое постоянно и надолго. Состояние равновесия атомов сохраняется практически без изменений. Аморфные тела при низких температурах полностью соответствуют свойствам твердых тел. Если температура стремится к повышению, связи на молекулярном уровне также изменяются. Эти тела приближенно напоминают свойства жидкостей.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Если происходит понимание свойств указанных веществ, то можно создавать такие материалы, которые будут соответствовать определенным характеристикам и свойствам.

Пластичность и хрупкость

Существуют такие материалы, которые испытывают пластичные деформации при относительно небольшом воздействии внешних факторов. Свойства пластичности характерны для аморфных твердых тел. Если тело способно разрушаться при небольших деформациях, тогда стоит говорить о твердых телах со свойствами хрупкости. Это специфическое физическое свойство имеет более важное значение на практике, чем упругость и пластичность.

В качестве наиболее хрупких материалов можно привести в пример изделия из фарфора. Все знают, что посуда может разбиваться на куски во время падения с высоты. Мрамор, чугун и янтарь также можно причислить к материалам, которые обладают довольно большой степенью хрупкости. Остальные металлы обычно не предполагают наличия таких свойств и выдерживают серьезные нагрузки до момент деформации или разрушения.

Специалисты неохотно делят твердые тела на пластичные и упругие, поскольку это деление носит условный характер. Это означает, что один и тот же материал способен приобретать те или иные свойства исходя из внешних факторов. Один материал может обладать свойствами упругости и пластичности в зависимости от возникающих напряжений.

Также у различных материалов есть собственный предел прочности. Он возникает в момент, когда напряжение в материале значительно превышает предел упругости. В этом случае, подверженный нагрузкам предмет не принимает исходных размеров и остается в деформированном виде.

При увеличении нагрузки на твердое тело процесс деформации происходит с новой силой и быстрее. При достижении максимума в определенной точке происходит разрыв материала. Напряжение в этот отрезок времен достигает предельного максимального значения. Деталь растягивается без увеличения внешней нагрузки до полного или частичного разрушения. Подобная величина будет зависеть от определенного материала и качества его обработки.

В твердых кристаллических телах молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров. Молекулы в кристаллах привязаны к определенным центрам и не могут перемещаться по всему объему тела. Этим объясняется то, что твердые тела сохраняют свою форму и объем.

По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические тела.

Молекулы и атомы в аморфных телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Для аморфных тел, как и для жидкостей, характерен ближний порядок в расположении частиц, но, в отличие от жидкостей, подвижность частиц мала.

Их свойства (механические, тепловые, электрические, оптические) по всем направлениям одинаковы, т.е. аморфные тела изотропны. Изотропность -независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления.

Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), воск, смола, пластики и т. д. Аморфные тела являются переохлажденными жидкостями (жидкости с большой вязкостью).

Характерной особенностью аморфных тел является отсутствие у них определенной точки плавления, т.е. нельзя указать температуру, выше которой будет жидкое состояние, а ниже – твердое. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур. Со временем в аморфных телах происходит кристаллизация, поэтому стекло с течением времени теряет прозрачность, мутнеет. В последнее время очень широкое практическое применение получили органические аморфные тела – полимеры. Молекулы полимеров состоят из большого числа одинаковых длинных молекулярных цепочек, соединенных химическими связями. К полимерам относятся крахмал, белок, каучук, пластмасса, резина, капрон и др. вещества. Полимеры обладают прочностью и эластичностью, некоторые из них могут выдерживать растяжение, превышающее их первоначальную длину в 5–10 раз.

В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества.

Частицы в кристаллах образуют пространственные периодически повторяющиеся структуры, которые называют кристаллические решетки.

Точки в кристаллической решетке, соответствующие наиболее устойчивому положению равновесия частиц твердого тела, называются узлами решетки.

Правильное расположение частиц в узлах кристаллической решетки называют дальним порядком.

Пример ближнего порядка молекул аморфного тела и дальнего порядка молекул кристаллического вещества:

1 – аморфное тело; 2 – твердое тело.

Правильное расположение частиц в решетке является причиной анизотропиикристаллов.

Анизотропиякристаллов заключается в зависимости некоторых физических свойств кристаллов от направления (скорость распространения света, теплопроводность, модуль упругости).

Кристаллические тела могут быть монокристалламии поликристаллами.

Крупные одиночные кристаллы называют монокристаллами.

Поликристаллы состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами.

Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами.

Монокристаллы анизотропны. В отличие от монокристаллов, поликристаллические тела изотропны, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях. Поликристаллическое строение твердого тела можно обнаружить с помощью микроскопа, а иногда оно видно и невооруженным глазом (чугун).

Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом.

Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом.

Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и температурах 1500–2000 К.

В зависимости от характера сил взаимодействия и природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, различают четыре типа кристаллических решеток.

1. Ионные кристаллы.В узлах кристаллической решетки находятся ионы (положительно и отрицательно заряженные) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Связь между ними обусловлена электрическими (кулоновскими) силами взаимодействия (притяжения) между разноименными ионами.

Примером ионной решетки служит кристалл каменной соли NaCl. Кристаллическая решетка поваренной соли содержит ионы Na + и Cl – , не объединенные попарно в молекулы NaCl. (следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц)

2. Атомные кристаллы.В узлах кристаллической решетки находятся нейтральные атомы. Между ними существует ковалентная связь (связь, при которой каждые два соседних атома удерживаются рядом силами притяжения, возникающими при взаимном обмене между этими атомами двумя валентными электронами).

Примером атомных кристаллов являются алмаз, графит, германий, кремний.

3. Молекулярные кристаллы.В узлах кристаллической решетки находятся молекулы, ориентированные определенным образом. Между молекулами действуют силы притяжения, характерные для взаимодействия молекул.

К молекулярным кристаллам относятся нафталин, парафин, сухой лед СО₂, лед Н₂О.

4. Металлические кристаллы.В узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы металла, между которыми движутся свободные (валентные) электроны, образующие электронный газ. Связь в металлических кристаллах обеспечивается силами притяжения между положительными ионами, находящимися в узлах решетки, и отрицательным электронным газом.

Эти силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания между одноименными ионами.

По геометрической конфигурации кристаллические решетки можно разделить на кубические и гексагональные.

Простые кристаллические решетки:
1 – простая кубическая решетка;
2 – гранецентрированная кубическая решетка;
3 – объемноцентрированная кубическая решетка;
4 – гексагональная решетка.

В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рис. 4 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na + и Cl – .

В объемноцентрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.

В настоящее время большой интерес вызывает новый класс веществ – жидкие кристаллы.

Это почти прозрачные вещества, проявляющие одновременно свойства жидкости и кристалла. Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. РЕЙНИТЦЕР. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное (от 145 °С до 179 °С) и прозрачное (выше 179 °С).

Жидкие кристаллы находят широкое практическое применение. Многие вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают весьма ценным качеством: некоторые их свойства резко изменяются при незначительном изменении внешних условий (температура, длина волны облучаемого света, электрическое и магнитное поля и т. д.). Оптическую ось в жидких кристаллах можно легко ориентировать электрическим полем. Этот эффект используется при построении жидкокристаллических индикаторов и экранов. На основе жидких кристаллов разработан преобразователь инфракрасного изображения в видимое, применяемый в медицине, военном деле и других отраслях. Некоторые жидкие кристаллы весьма чувствительны к присутствию паров различных химических веществ: при наличии в воздухе ничтожно малой концентрации этих веществ структура жидкого кристалла меняется, что сопровождается изменением его цвета.

Жидкие кристаллы обнаруживаются в важнейших функциональных участках клетки живых организмов. Распространенность жидкокристаллического состояния в живых тканях обусловлена его высокой чувствительностью к окружающей среде, гибкостью структуры и достаточной устойчивостью к внешним воздействиям. Для обмена веществ с окружающей средой (основная особенность живой клетки) жидкие кристаллы являются идеальными образованиями, так как они могут растворять многие вещества, не изменяя своей жидкокристаллической структуры, легко обмениваться молекулами. При соответствующих условиях жидкие кристаллы могут набухать, а затем опять сжиматься, не теряя жидкокристаллического строения, в мышечных волокнах они могут растягиваться и сжиматься, не разрушаясь. Значительная прочность жидкокристаллических волокон необходима для образования опорных тканей.

Механические свойства твердых тел.

В твердых телах – аморфных и кристаллических – частицы (молекулы, атомы, ионы) совершают тепловые колебания около положений равновесия, в которых энергия их взаимодействия минимальна. При увеличении расстояния между частицами возникают силы притяжения, а при уменьшении – силы отталкивания. Силы взаимодействия между частицами обусловливают механические свойства твердых тел.

Деформация твердого тела является результатом изменения под действием внешних сил взаимного расположения частиц, из которых состоит тело, и расстояний между ними.

Деформация –изменение формы или объема тела.

Существует четыре основных вида деформаций твердых тел: растяжение (сжатие), сдвиг, кручение, изгиб.

При любом виде деформации в твердом теле происходит смещение частиц, из которых оно состоит, относительно друг друга. Это вызывает возникновение в материале сил, препятствующих деформации – сил упругости.Они стремятся восстановить прежнюю форму и объем тела.

Свойство деформированных тел принимать свою первоначальную форму и свой объем после прекращения действия внешних сил называется упругостью.

Упругая деформация –деформация, которая полностью исчезает после снятия внешних нагрузок (деформирующих факторов).

Пластическая деформация – деформация тела, которая не исчезает после снятия внешних нагрузок на тело.

Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия.

1 – деформация растяжения; 2 – деформация сдвига

Ее можно характеризовать абсолютным удлинениемΔl, возникающим под действием внешней силы F . Связь между Δl и F зависит не только от механических свойств вещества, но и от геометрических размеров тела (его толщины и длины).

Отношение абсолютного удлинения Δl к первоначальной длине lобразца называется относительным удлинением или относительной деформацией ε:

При растяжении ε > 0, при сжатии ε 0 при деформации растяжения и F σ_упр, образец после снятия напряжения уже не восстанавливает свои первоначальные размеры и у тела сохраняется остаточная деформация ε_ост.

Участки BC, CD и DE – пластическая деформация.

На участке BC деформация происходит почти без увеличения напряжения. Это явление называется текучестью материала.

В точке D достигается наибольшее напряжение σ_max, которое способен выдержать материал без разрушения - предел прочности.

В точке E происходит разрушение материала.

Для расчета различных конструкция необходимо знать механические свойства твердых тел.

Прочность –способность материала выдерживать нагрузки без разрушения.

У многих материалов предел прочности значительно больше предела упругости. Такие материалы называют вязкими. К ним относятся медь, цинк, железо.

Материалы, у которых отсутствует область упругих деформаций, называют пластическими. К ним относят воск, глину, пластилин.

В технике материалы различают по твердости.Из двух материалов более твердым считается тот, который оставляет царапины на поверхности другого. Из природных материалов наибольшей твердостью отличается алмаз.

Материалы, у которых разрушение происходит при небольших деформациях (лишь незначительно превышающих область упругих деформаций) называются хрупкими (стекло, фарфор, чугун).

Читайте также: