Materi padat mewakili salah satu dari empat keadaan agregasi di mana materi di sekitar kita dapat berada. Dalam artikel ini, kami akan mempertimbangkan sifat mekanik apa yang melekat pada padatan, dengan mempertimbangkan kekhasan struktur internalnya.
Apa itu bahan padat?
Mungkin semua orang bisa menjawab pertanyaan ini. Sepotong besi, komputer, peralatan makan, mobil, pesawat, batu, salju adalah contoh benda padat. Dari sudut pandang fisik, keadaan agregat padat materi dipahami sebagai kemampuannya untuk mempertahankan bentuk dan volumenya di bawah berbagai pengaruh mekanis. Sifat mekanik padatan inilah yang membedakannya dari gas, cairan, dan plasma. Perhatikan bahwa fluida juga menahan volume (tidak dapat dimampatkan).
Contoh bahan padat di atas akan membantu untuk memahami lebih jelas apa peran penting yang mereka mainkan bagi kehidupan manusia dan perkembangan teknologi masyarakat.
Ada beberapa disiplin ilmu fisika dan kimia yang mempelajari keadaan materi yang sedang dibahas. Kami hanya mencantumkan yang paling penting dari mereka:
- fisika padattubuh;
- mekanika deformasi;
- ilmu material;
- kimia yang solid.
Struktur bahan keras
Sebelum mempertimbangkan sifat mekanik padatan, kita harus mengetahui struktur internalnya pada tingkat atom.
Keragaman bahan padat dalam strukturnya sangat bagus. Namun demikian, ada klasifikasi universal, yang didasarkan pada kriteria periodisitas susunan unsur-unsur (atom, molekul, gugus atom) yang membentuk tubuh. Menurut klasifikasi ini, semua padatan dibagi menjadi berikut:
- kristal;
- amorf.
Mari kita mulai dengan yang kedua. Tubuh amorf tidak memiliki struktur yang teratur. Atom atau molekul di dalamnya tersusun secara acak. Fitur ini mengarah pada isotropi sifat bahan amorf, yaitu sifat tidak bergantung pada arah. Contoh paling mencolok dari benda amorf adalah kaca.
Benda atau kristal kristal, tidak seperti bahan amorf, memiliki susunan elemen struktural yang tertata dalam ruang. Pada skala mikro, mereka dapat membedakan antara bidang kristal dan baris atom paralel. Karena struktur ini, kristal bersifat anisotropik. Selain itu, anisotropi memanifestasikan dirinya tidak hanya dalam sifat mekanik padatan, tetapi juga dalam sifat listrik, elektromagnetik, dan lainnya. Misalnya, kristal turmalin hanya dapat mentransmisikan getaran gelombang cahaya dalam satu arah, yang mengarah kepolarisasi radiasi elektromagnetik.
Contoh kristal hampir semua bahan logam. Mereka paling sering ditemukan dalam tiga kisi kristal: kubik berpusat muka dan berpusat badan (masing-masing fcc dan bcc) dan kemasan rapat heksagonal (hcp). Contoh lain dari kristal adalah garam meja biasa. Tidak seperti logam, simpulnya tidak mengandung atom, tetapi anion klorida atau kation natrium.
Elastisitas adalah sifat utama dari semua bahan keras
Dengan menerapkan tegangan terkecil sekalipun pada benda padat, kita menyebabkannya berubah bentuk. Terkadang deformasi bisa sangat kecil sehingga tidak bisa diperhatikan. Namun, semua bahan padat berubah bentuk ketika beban eksternal diterapkan. Jika, setelah menghilangkan beban ini, deformasi menghilang, maka mereka berbicara tentang elastisitas material.
Contoh nyata dari fenomena elastisitas adalah kompresi pegas logam, yang dijelaskan oleh hukum Hooke. Melalui gaya F dan tegangan mutlak (tekanan) x, hukum ini ditulis sebagai berikut:
F=-kx.
Di sini k adalah beberapa nomor.
Dalam kasus logam curah, hukum Hooke biasanya ditulis dalam bentuk tegangan luar yang diterapkan, regangan relatif dan modulus Young E:
σ=Eε.
Modulus Young adalah nilai konstan untuk bahan tertentu.
Fitur deformasi elastis, yang membedakannya dari deformasi plastis, adalah reversibilitas. Perubahan relatif dalam ukuran padatan di bawah deformasi elastis tidak melebihi 1%. Paling sering mereka terletak di wilayah 0,2%. Sifat elastis padatan ditandai dengan tidak adanya perpindahan posisi elemen struktur dalam kisi kristal material setelah penghentian beban eksternal.
Jika gaya mekanik eksternal cukup besar, maka setelah penghentian aksinya pada tubuh, Anda dapat melihat deformasi sisa. Namanya plastik.
Plastisitas padatan
Kami telah mempertimbangkan sifat elastis padatan. Sekarang mari kita beralih ke karakteristik plastisitasnya. Banyak orang tahu dan telah mengamati bahwa jika Anda memukul paku dengan palu, paku itu menjadi rata. Ini adalah contoh deformasi plastis. Pada tingkat atom, ini adalah proses yang kompleks. Deformasi plastis tidak dapat terjadi pada benda amorf, sehingga kaca tidak berubah bentuk saat dipukul, tetapi runtuh.
Benda padat dan kemampuannya untuk berubah bentuk secara plastis bergantung pada struktur kristal. Deformasi ireversibel yang dianggap terjadi karena pergerakan kompleks atom khusus dalam volume kristal, yang disebut dislokasi. Yang terakhir dapat terdiri dari dua jenis (marginal dan sekrup).
Dari semua bahan padat, logam memiliki plastisitas terbesar, karena mereka menyediakan sejumlah besar bidang slip yang diarahkan pada sudut yang berbeda dalam ruang untuk dislokasi. Sebaliknya, bahan dengan ikatan kovalen atau ionik akan rapuh. Ini dapat dikaitkanpermata atau garam meja yang disebutkan.
Kerapuhan dan ketangguhan
Jika Anda terus-menerus menerapkan gaya eksternal ke bahan padat apa pun, cepat atau lambat bahan itu akan runtuh. Ada dua jenis penghancuran:
- rapuh;
- kental.
Yang pertama ditandai dengan munculnya dan pertumbuhan retakan yang cepat. Fraktur rapuh menyebabkan konsekuensi bencana dalam produksi, oleh karena itu, mereka mencoba menggunakan bahan dan kondisi operasinya di mana penghancuran material akan menjadi ulet. Yang terakhir ini ditandai dengan pertumbuhan retak yang lambat dan penyerapan sejumlah besar energi sebelum kegagalan.
Untuk setiap bahan ada suhu yang mencirikan transisi getas-ulet. Dalam kebanyakan kasus, penurunan suhu mengubah patahan dari ulet menjadi getas.
Beban siklik dan permanen
Dalam teknik dan fisika, sifat-sifat benda padat juga dicirikan oleh jenis beban yang diberikan padanya. Jadi, efek siklik konstan pada material (misalnya, tegangan-kompresi) dijelaskan oleh apa yang disebut ketahanan lelah. Ini menunjukkan berapa banyak siklus penerapan sejumlah tegangan tertentu yang dijamin material untuk bertahan tanpa putus.
Kelelahan suatu material juga dipelajari pada beban konstan, dengan mengukur laju regangan dari waktu ke waktu.
Kekerasan bahan
Salah satu sifat mekanik yang penting dari padatan adalah kekerasan. Dia mendefinisikankemampuan bahan untuk mencegah masuknya benda asing ke dalamnya. Secara empiris, sangat mudah untuk menentukan mana dari dua benda yang lebih sulit. Anda hanya perlu menggaruk salah satunya dengan yang lain. Berlian adalah kristal yang paling keras. Itu akan menggores bahan lain.
Sifat mekanik lainnya
Bahan keras memiliki beberapa sifat mekanik selain yang disebutkan di atas. Kami mencantumkannya secara singkat:
- daktilitas - kemampuan untuk mengambil berbagai bentuk;
- daktilitas - kemampuan untuk meregangkan benang tipis;
- kemampuan untuk menahan jenis deformasi khusus, seperti pembengkokan atau puntiran.
Dengan demikian, struktur mikroskopis padatan sangat menentukan sifat-sifatnya.
