Механические свойства твердых тел

Упорядоченное расположение атомов в кристаллической решетке твердого тела ведет к тому, что твердое тело сохраняет не только объем, как жидкость, но и форму. Необходимы значительные усилия, чтобы деформировать кристалл или поликристаллическое твердое тело (например, металл или керамику).

Назовем силу, действующую на единицу площади поверхности твердого тела (рис. 3.26) механическим напряжением '. X = F/S. Под действием этого напряжения тело длиной I может удлиняться или укорачиваться на ДI. Назовем отношение и = Д//I механической деформацией. При небольших X деформация и пропорциональна X:

где коэффициент s называют упругой податливостью, а с = 1/s — модулем упругости, или жесткостью (часто его называют модулем Юнга и обозначают буквой ?). Формулу (3.54) или формулу.

называют законом Гука. Упругая сила используется в различных пружинах.

При больших X пропорциональность между и и X нарушается (рис. 3.27, участок 1−2 на кривой А). Если приложить напряжение Хг, а затем снять его, тело не вернется к первоначальной форме. Останется остаточная деформация м_ост. При приложении X = Х₃ твердое тело начинает «течь» подобно вязкой жидкости.

Деформация может быть значительной, хотя напряжение Х₃ не меняется (рис. 3.27, участок 3−4). Это свойство используется при обработке металлов (штамповка, волочение проволоки и т. д.). Начиная с деформации, соответствующей точке 4, происходит некоторое упрочнение, затем следует разрыв, разрушение материала (точка 5).

Вид кривой на рисунке 3.27, наклоны участков, их протяженность различны Рис 3 27 для Разных материалов. Если кривая имеет вид В, то материал называют пластичным (легко течет, большие остаточные деформации). Если вид С — хрупким (выдерживает большие напряжения, мало деформируется и при небольших деформациях разрушается). Для одного и того же материала вид кривой сильно зависит от температуры. Так, железо, сталь в раскаленном состоянии становятся пластичными. Это используется при ковке.

Кроме деформаций растяжения и сжатия могут быть деформации сдвига (рис. 3.26, б) и кручения, к которым также применимы понятия упругости, пластичности, хрупкости и т. д.

Об электрических и оптических свойствах твердых тел см. разделы 1 и 2 главы 11.

Сказанное в этой теме о механических свойствах кристаллических твердых тел справедливо в известной мере и для аморфных тел, таких как резина, стекло. Покажите на рисунке 3.27, как пойдет кривая для резины, которая легко деформируется и выдерживает очень большие деформации. А как надо провести кривую для стекла, для сильно разогретого стекла?