Material sólido representa um dos quatro estados de agregação em que a matéria ao nosso redor pode estar. Neste artigo, consideraremos quais propriedades mecânicas são inerentes aos sólidos, levando em consideração as peculiaridades de sua estrutura interna.
O que é um material sólido?
Talvez todos possam responder a esta pergunta. Um pedaço de ferro, um computador, talheres, carros, aviões, pedra, neve são exemplos de sólidos. Do ponto de vista físico, o estado sólido agregado da matéria é entendido como sua capacidade de manter sua forma e volume sob várias influências mecânicas. São essas propriedades mecânicas dos sólidos que os distinguem dos gases, líquidos e plasmas. Observe que o fluido também retém volume (é incompressível).
Os exemplos acima de materiais sólidos ajudarão a entender mais claramente qual o importante papel que eles desempenham para a vida humana e o desenvolvimento tecnológico da sociedade.
Existem várias disciplinas físicas e químicas que estudam o estado da matéria em consideração. Listamos apenas os mais importantes:
- física dos sólidoscorpo;
- mecânica da deformação;
- ciência dos materiais;
- química sólida.
Estrutura de materiais duros
Antes de considerar as propriedades mecânicas dos sólidos, deve-se conhecer sua estrutura interna no nível atômico.
A variedade de materiais sólidos em sua estrutura é grande. No entanto, existe uma classificação universal, que se baseia no critério da periodicidade do arranjo dos elementos (átomos, moléculas, aglomerados atômicos) que compõem o corpo. De acordo com esta classificação, todos os sólidos são divididos em:
- cristalino;
- amorfo.
Vamos começar com o segundo. Um corpo amorfo não tem nenhuma estrutura ordenada. Átomos ou moléculas nele são organizados aleatoriamente. Essa característica leva à isotropia das propriedades dos materiais amorfos, ou seja, as propriedades não dependem da direção. O exemplo mais marcante de um corpo amorfo é o vidro.
Corpos ou cristais cristalinos, diferentemente dos materiais amorfos, possuem um arranjo de elementos estruturais ordenados no espaço. Na microescala, eles podem distinguir entre planos cristalinos e linhas atômicas paralelas. Devido a esta estrutura, os cristais são anisotrópicos. Além disso, a anisotropia se manifesta não apenas nas propriedades mecânicas dos sólidos, mas também nas propriedades elétricas, eletromagnéticas e outras. Por exemplo, um cristal de turmalina só pode transmitir vibrações de uma onda de luz em uma direção, o que leva apolarização da radiação eletromagnética.
Exemplos de cristais são quase todos materiais metálicos. Eles são mais frequentemente encontrados em três redes cristalinas: cúbica de face centrada e corpo centrado (fcc e bcc, respectivamente) e hexagonal compacta (hcp). Outro exemplo de cristais é o sal de mesa comum. Ao contrário dos metais, seus nós não contêm átomos, mas ânions cloreto ou cátions sódio.
Elasticidade é a principal propriedade de todos os materiais duros
Ao aplicar a menor tensão a um sólido, fazemos com que ele se deforme. Às vezes, a deformação pode ser tão pequena que não pode ser notada. No entanto, todos os materiais sólidos se deformam quando uma carga externa é aplicada. Se, após a remoção dessa carga, a deformação desaparecer, eles falam da elasticidade do material.
Um exemplo vívido do fenômeno da elasticidade é a compressão de uma mola de metal, que é descrita pela lei de Hooke. Através da força F e da tensão absoluta (compressão) x, esta lei se escreve da seguinte forma:
F=-kx.
Aqui k é algum número.
No caso de metais a granel, a lei de Hooke geralmente é escrita em termos de tensão externa aplicada σ, deformação relativa ε e módulo de Young E:
σ=Eε.
O módulo de Young é um valor constante para um determinado material.
A característica da deformação elástica, que a distingue da deformação plástica, é a reversibilidade. As mudanças relativas no tamanho dos sólidos sob deformação elástica não excedem 1%. Na maioria das vezes eles estão na região de 0,2%. As propriedades elásticas dos sólidos são caracterizadas pela ausência de deslocamento das posições dos elementos estruturais na rede cristalina do material após o término da carga externa.
Se a força mecânica externa for grande o suficiente, após o término de sua ação no corpo, você poderá ver a deformação residual. Chama-se plástico.
Plasticidade de sólidos
Consideramos as propriedades elásticas dos sólidos. Agora vamos passar para as características de sua plasticidade. Muitas pessoas sabem e observaram que, se você bater em um prego com um martelo, ele ficará achatado. Este é um exemplo de deformação plástica. No nível atômico, é um processo complexo. A deformação plástica não pode ocorrer em corpos amorfos, então o vidro não se deforma ao ser atingido, mas colapsa.
Corpos sólidos e sua capacidade de se deformar plasticamente dependem da estrutura cristalina. A deformação considerada irreversível ocorre devido ao movimento de complexos atômicos especiais no volume do cristal, que são chamados de discordâncias. Este último pode ser de dois tipos (marginal e parafuso).
De todos os materiais sólidos, os metais têm a maior plasticidade, pois fornecem um grande número de planos de deslizamento direcionados em diferentes ângulos no espaço para discordâncias. Por outro lado, materiais com ligações covalentes ou iônicas serão frágeis. Estes podem ser atribuídosgemas ou o sal de mesa mencionado.
Fragilidade e tenacidade
Se você aplicar constantemente uma força externa a qualquer material sólido, mais cedo ou mais tarde ele entrará em colapso. Existem dois tipos de destruição:
- frágil;
- viscoso.
A primeira caracteriza-se pelo aparecimento e rápido crescimento das fissuras. As fraturas frágeis levam a consequências catastróficas na produção, portanto, procuram-se utilizar materiais e suas condições de operação sob as quais a destruição do material seria dúctil. Este último é caracterizado pelo crescimento lento de trincas e absorção de uma grande quantidade de energia antes da falha.
Para cada material existe uma temperatura que caracteriza a transição frágil-dúctil. Na maioria dos casos, uma diminuição na temperatura altera a fratura de dúctil para frágil.
Cargas cíclicas e permanentes
Em engenharia e física, as propriedades dos sólidos também são caracterizadas pelo tipo de carga aplicada a eles. Assim, um efeito cíclico constante no material (por exemplo, tensão-compressão) é descrito pela chamada resistência à fadiga. Ele mostra quantos ciclos de aplicação de uma determinada quantidade de tensão o material tem a garantia de suportar sem quebrar.
A fadiga de um material também é estudada sob carga constante, medindo a taxa de deformação ao longo do tempo.
Dureza dos materiais
Uma das propriedades mecânicas importantes dos sólidos é a dureza. Ela definea capacidade do material de impedir a introdução de um corpo estranho nele. Empiricamente, é muito simples determinar qual dos dois corpos é mais difícil. Só é necessário riscar um deles com o outro. O diamante é o cristal mais duro. Ele arranhará qualquer outro material.
Outras propriedades mecânicas
Os materiais duros têm algumas propriedades mecânicas diferentes das indicadas acima. Listamos brevemente:
- ductilidade - a capacidade de assumir várias formas;
- ductility - a capacidade de esticar em fios finos;
- capacidade de resistir a tipos especiais de deformação, como flexão ou torção.
Assim, a estrutura microscópica dos sólidos determina em grande parte suas propriedades.
