Механические свойства твёрдых тел

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Классификация твердых тел…….………………………….………………….4

2. Механические свойства твердых тел………………………………………….9

3. Дефекты твердых тел…………........................................................................12

Заключение……………...…………………………………...………………….15

Список использованной литературы………………………………………..16

Введение

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.

Человечество всегда использовало и будет использовать твердые тела. Но если раньше физика твердого тела не поспевала за развитием технологии, основанной на непосредственном опыте, то теперь положение изменилось.

Теоретические исследования начинают приводить к созданию твердых тел, свойства которых совершенно необычны и получить которые методом «проб и ошибок» было бы невозможно. Создание таких устройств, как транзисторы, а затем – электронные микросхемы – яркий пример того, как понимание структуры твердых тел привело к революции во всей радиотехнике и электронике.

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 [1, c. 211].

1. Классификация твердых тел

Твёрдое тело — это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Классификация твёрдых веществ: электрические и некоторые другие свойства твёрдых тел, в основном, определяются характером движения внешних электронов его атомов.

Выделяют пять классов твёрдых тел в зависимости от типа связи между атомами (таблица 1).

Таблица 1 – Типы связей между атомами твердых тел

По виду зонной структуры твёрдые тела классифицируют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

По магнитным свойствам твёрдые тела делятся на диамагнетики, парамагнетики и тела с упорядоченной магнитной структурой [2, c. 315].

У ионных кристаллов существует кулоновская связь, связь между положительными и отрицательными ионами; ковалентные кристаллы возникают в результате наличия ковалентной связи между соседними ионами, когда, допустим, два электрона соседних ионов участвуют в образовании связи, а четыре электрона – в образовании заполненной электронной оболочки, причем они пространственно локализованы вблизи таких ионов и под действием электрического поля в пространстве направленным образом перемещаться не могут, а, следовательно, не могут создавать ток проводимости. Такая кристаллическая решетка, например, может быть образована атомами Si (рисунок 1).

Рисунок 1 – Ковалентная связь

Металлические кристаллы возникают в результате металлической связи между ионами кристаллической решетки, связь эта осуществляется валентными электронами, т.е. электронами, которые в процессе возникновения кристаллической решетки, оторвались от соответствующих атомов (рисунок 2).

Теперь бывшие валентные электроны не локализованы в пространстве между соседними ионами кристаллической решетки, а свободно блуждают между ними – это свободные электроны. Связь между соседними ионами, металлическая связь, возникает потому, что в пространстве между ними возникает эффективный отрицательный заряд, который стягивает между собой соседние ионы (рисунок 2).

Рисунок 2 – Металлическая связь

Молекулярные кристаллы возникают только при низкой температуре под действием сил Ван-дер-Ваальса, т. е. в результате притяжения между соседними электрическими моментами диполей электрически нейтральных молекул (рисунок 3).

Рисунок 3 – Дипольная связь

Энергией связи называется энергия, которая выделяется при конденсации 1 моля вещества из газообразного состояния в твердое. Наиболее сильная связь существует у ионных кристаллов, самая слабая связь – у молекулярных кристаллов.

Обычно ионные кристаллы образуются из электроположительных и электроотрицательных атомов. Электроположительными называются атомы, легко теряющие электрон, электроотрицательными – атомы, прочно удерживающие присоединенный электрон. Электроположительными являются все атомы щелочных металлов, к электроотрицательным относятся атомы галогенов. Так в процессе образования ионного кристалла NaCl валентный электрон атома Na переходит к атому Cl , в результате возникают два противоположно заряженных иона Na (+) и Cl (-) . У каждого из возникших ионов возникают электронные оболочки, характерные для инертных газов. Наличие таких электронных оболочек у отдельных атомов ионной кристаллической решетки – одна из особенностей таких кристаллов. Ионы, входящие в состав кристаллической решетки, обладают сферической симметрией. Но радиус сфер у них разный. Так, радиус Cl (-) в кристалле NaCl почти в два раз больше радиуса Na (+) . Энергия связи ионных кристаллов в значительной мере определяется взаимным кулоновским притяжением таких заряженных сфер и силами отталкивания между одноименными зарядами ионов. Одновременное действие этих сил и определяет равновесное состояние атомов в кристалле. Валентные электроны электроположительного атома сильно связаны с электроотрицательными атомами, они локализованы вблизи отрицательных ионов и не могут участвовать в направленном переносе заряда в пространстве, т.е. не могут участвовать в образовании тока проводимости. Следовательно, такие кристаллы являются диэлектриками. Однако при высокой температуре атомы в таком кристалле обладают определенной подвижностью, под действием сильного электрического поля возникает электропроводность, вызванная направленным движением положительных и отрицательных ионов. Ионная проводимость во много раз меньше электронной. Частично это объясняется тем, что масса иона значительно больше массы электрона.

В процессе образования кристаллической решетки твердого тела всегда выделяется энергия. Если бы этого не было, то кристалл не мог бы находиться в устойчивом состоянии – в состоянии с минимальной энергией. Поэтому обратный процесс, процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое происходит при затрате энергии. Эта энергия в случае ковалентных кристаллов идет на разрушение ковалентных связей между соседними атомами. Типичными ковалентными кристаллами являются кристаллы, образованные атомами 4-ой группы периодической таблицы Менделеева: C, Si, Ge.

При конденсации атомов из газообразного в жидкое, а затем и в твердое состояние всегда выделяется некоторая энергия. В результате в процессе образования металлического кристалла от атомов отрываются валентные электроны. А так как они не локализованы в пространстве вблизи каких-либо конкретных атомов, то такие электроны теперь принадлежат всем атомам кристалла, т.е. являются свободными. Под действием электрического поля внутри металла достаточно большое число электронов может участвовать в направленном переносе заряда, создавая ток проводимости. Так как число таких электронов очень велико, то и электропроводность металла всегда очень высокая. Электроны, участвующие в токе проводимости, называются электронами проводимости. Таким образом, металлическая связь основана на коллективизации валентных электронов всех атомов.

Молекулярные кристаллы образованы молекулами, расположенными периодически в объеме твердого тела. Молекулярные кристаллы возникают при низких температурах под действием межмолекулярных связей, в них расстояние между молекулами r >> d, d – размер молекулы.

Важно отметить, что любое твердое тело состоит из огромного числа микрочастиц, находящихся в непрерывном движении. Наиболее простой подход к выявлению физических закономерностей заключается в описании их коллективных свойств [3, c. 286-288].

2. Механические свойства твердых тел. Виды деформаций

Твёрдые тела способны сохранять форму и объём. Механические свойства твёрдых тел обусловлены их структурой. Нагревание (охлаждение), а также внешнее механическое воздействие на тело может приводить к изменению формы и объёма, т.е. к деформации.

Если после прекращения действия силы, форма и объем тела полностью восстанавливаются, то деформацию называют упругой, а тело - абсолютно упругим. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия сил, называются пластическими, а тела - пластичными.

Различают следующие виды деформаций: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.

Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением дельта l и относительным удлинением ε (1): 

(1);

где l0 - начальная длина, l - конечная длина стержня. Механическим напряжением называют отношение модуля силы упругости F к площади поперечного сечения тела S:б=F/S.

В СИ за единицу механического напряжения принимают 1Па = 1Н/м2. 

Закон Гука (1635-1703): при малых деформациях напряжение прямо пропорционально относительному удлинению. На рисунке 4 представлен график зависимости механического напряжения от относительного удлинения.

Рисунок 4 – График зависимости механического напряжения от относительного удлинения

Участок 0А - область пропорциональности: на этом участке выполняется закон Гука. Точке А соответствует напряжение бпроп, называемое пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности бпроп - максимальное напряжение, при котором закон Гука еще выполняется.

Предел упругости бупр - напряжение, при котором тело полностью утрачивает упругость (участок АВ).

На участке ВС наблюдается явление «текучести» материала: удлинение тела нарастает при незначительном росте деформирующей силы.

При дальнейшем увеличении удлинения тело вновь обретает способность сопротивляться деформации; напряжение в нем вновь увеличивается, достигая максимума в точке D, которой соответствует начало разрушения.

Предел прочности бпроч – наибольшее напряжение, возникающее в теле перед началом разрушения. Участку DE соответствует постепенное разрушение тела.

Все детали машин и механизмов изготавливаются со значительным, но разумным запасом прочности.

Отношение предела прочности материала (или предела текучести для пластичных тел) к фактически действующему напряжению называют коэффициентом запаса прочности (k). Например, в строительном деле коэффициент запаса прочности стальных балок установлен не менее 2,5 - 2,6, а для балок из хрупких материалов (чугун, бетон) не менее 3 – 9 [4].

Механические свойства материалов различны. Такие материалы, как резина или сталь, обнаруживают упругие свойства при сравнительно больших напряжениях и деформациях. Их называют упругими.

Материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформации, называют пластичными (пластилин, свинец).

Большое значение на практике имеет такое свойство твердых тел, как хрупкость. Материалы называют хрупкими, если они разрушаются при небольших деформациях (чугун, фарфор).

Важной характеристикой материалов является твердость. Она характеризует способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, т. е. способность противодействовать вдавливанию или царапанью.

3. Дефекты твердых тел

Состояние идеального (бездефектного) кристалла теоретически может быть реализовано только при 0 К, когда все узлы кристаллической решетки заняты атомами, неотличимыми друг от друга ни по физической природе, ни по энергетическому состоянию. При этом необходимость существования определенных отклонений от идеальной периодичности в расположении атомов в твердом теле при Т ≠ 0 К вытекает из статистических соображений. Вследствие флуктуации энергии всегда имеется некоторая вероятность того, что отдельные атомы получат избыточную энергию, достаточную для создания локальных нарушений кристаллической решетки. Проблема дефектного состояния твердых тел различной природы в настоящее время является одной из важнейших в современной физике и химии твердого тела. Представления о дефектности атомной и электронной структур кристалла лежат в основе описания процессов химических взаимодействий с участием твердых тел, явления электро- и массопереноса, характеристики всех структурно-чувствительных свойств твердых тел [5, c. 34].

Структурные дефекты – это энергетически возбужденные состояния кристаллической решетки, связанные с нарушением строгой регулярности и способа заполнения узлов кристаллической решетки.

Существует несколько способов классификации дефектов. Самые простые из них следующие: деление дефектов на собственные и примесные, а также рассмотрение дефектов с позиций равновесия в системе (равновесные и неравновесные).

Примесные дефекты, как следует из определения, обусловлены присутствием чужеродных атомов или молекул.

Собственные дефекты не меняют качественного состава кристалла (меняться может лишь количественный состав). Их возникновение связано с влиянием температуры, механических радиационных и других видов воздействия на твердую фазу.

Концентрация равновесных дефектов для конкретного кристалла однозначно зависит от температуры. При повышении температуры концентрация таких дефектов возрастает, а при ее снижении – уменьшается. Причем при возвращении кристалла в исходное состояние (к исходной температуре) концентрация в точности будет соответствовать исходной, которая для данной системы определяется только температурой. Следует, однако, учитывать кинетический фактор, так как перемещение атомов в твердых телах даже при высоких температурах осуществляется достаточно медленно. Поэтому точное соответствие должно учитывать время достижения равновесного состояния.

Неравновесные дефекты также подвержены влиянию температуры. Например, если выдерживать кристалл с дефектами при постоянной (обычно, повышенной) температуре достаточно длительное время, может происходить так называемый температурный отжиг дефектов, в процессе которого концентрация неравновесных дефектов уменьшается. Это происходит за счет возрастания их подвижности. Однако, при возвращении кристалла к исходной (пониженной) температуре концентрация таких дефектов не восстанавливается, то есть отсутствует прямая связь концентрации дефектов с температурой, которая имеет место в случае равновесных дефектов.

Наиболее детальной является классификация дефектов по геометрическим признакам. Тогда выделяют четыре класса дефектов: точечные, линейные, поверхностные и объемные.

1) Точечные (нульмерные) дефекты малы во всех измерениях, их размеры по всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров. Они состоят из одного атома (если это атом примеси) или дефектной позиции (если кристалл не содержит примесных атомов).

2) Линейные (одномерные) дефекты – это нарушение линейной последовательности узлов решетки, вдоль которой обрывается периодичность структуры.

3) Поверхностные (двумерные) дефекты – это ошибки в наложение слоев атомов, а также границы, отделяющие различные области идеальной или близкой к идеальной периодической структуры кристалла.

4) Объёмные (трёхмерные дефекты) имеют в трех измерениях сравнительно большие размеры, несопоставимые с величинами атомных диаметров. К ним относятся микропустоты, включения другой фазы, поры, трещины.

Заключение

Твердые тела ­– это тела, сохраняющие форму и объем за счет значительных молекулярных сил отталкивания и притяжения. Большая часть твердых тел имеет кристаллическое строение. Оно характеризуется упорядоченным, геометрически правильным расположением частиц (атомов, молекул, ионов) по всему объему тела.

В последние несколько десятилетий резко увеличился объем наших знаний о природе твердого состояния. Одновременно с этим очень сильно расширились области применения кристаллических твердых тел в самых различных областях техники.

Применяемые в промышленности твердые кристаллические материалы имеют реальную структуру, отличающуюся от идеальной (строго упорядоченной) наличием разнообразных дефектов. Некоторые из них являются неизбежными дефектами синтеза (роста) кристаллов (краевые и винтовые дислокации, границы зерен, поры), другие (точечные дефекты собственные и примесные) могут создаваться или устраняться в процессе термообработки твердого вещества [6, c. 53].

В заключение, можно отметить, что все дефекты, так или иначе, влияют на свойства кристаллических материалов, а иногда их влияние становится определяющим. Те свойства кристаллов, которые сильно зависят от наличия дефектов, называют структурно-чувствительными. К ним относятся электрические, диффузионные, оптические, эмиссионные, фотоэлектрические, магнитные и другие.

Следует подчеркнуть, что многие из структурно-чувствительных свойств являются исключительными, нетривиальными, возникающими только вследствие дефектности кристалла.

Список использованной литературы

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: Учеб. пособ. для вузов. / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. Шк., 1994 – 542 с.

2. Моррисон, С. Химическая физика поверхности твердого тела / С. Моррисон. – М., 1980. – 488 с.

3. Павлов, П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф Хохлов. –: М., Высшая школа, 1999. – 491с.

4. Механические свойства твердых тел [Электронный ресурс] / http://sfiz.ru/page.php ?id=38 / (Дата обращения 3.12.2020).

5. Асабина, Е.А. Дефекты в твердых телах и их влияние на свойства функциональных материалов. Учебно-методическое пособие / Е.А. Асабина – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. – 65 с.

6. Петров, А.Н. Кристаллохимия твердого состояния. Уч. Пособие / А.Н. Петров, В.А. Черепанов. – Изд-во УрГУ, Свердловск, 1987. – 94 с.