Механические свойства твердых тел

Внешнее механическое воздействие на тело вызывает смещение атомов из равновесных положений  и приводит к изменению формы  и объема тела, т. е. к его деформации. Самые простые виды деформации —  растяжение и сжатие. Растяжение испытывают тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы, струны музыкальных  инструментов. Сжатию подвергаются стены  и фундаменты зданий. Изгиб испытывают балки перекрытий в зданиях, мостах. Деформация изгиба сводится к деформациям  сжатия и растяжения, различным в  разных частях тела.

Деформация  и напряжение. Деформацию сжатия и растяжения можно характеризовать абсолютным удлинением Δl, равным разности длин образца до растяжения l₀ и после него l :

.

Абсолютное удлинение   при растяжении положительно, при сжатии имеет отрицательное значение.   

Отношение абсолютного  удлинения   к длине образца   называется относительным удлинением  :

. (30.1)

При деформации тела возникают силы упругости. Физическая величина, равная отношению модуля силы упругости к площади сечения  тела, называется механическим напряжением  :

. (30.2)

За единицу механического  напряжения в СИ принят паскалъ (Па).  .

Модуль  упругости. При малых деформациях напряжение прямо пропорционально относительному удлинению:

. (30.3)

Коэффициент пропорциональности Е в уравнении (30.3) называется модулем упругости. Модуль упругости одинаков для образцов любой формы и размеров, изготовленных из одного материала:

. (30.4)

Из формулы (30.4) следует, что

. (30.5)

Сравнив выражение (30.5) с законом Гука, получим, что  жесткость k стержня пропорциональна произведению модуля Юнга на площадь поперечного сечения стержня и обратно пропорциональна его длине.

Диаграмма растяжения. Зависимость напряжения   от относительного удлинения   является одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения. По оси ординат откладывается механическое напряжение  , по оси абсцисс — относительное удлинение   (рис. 102).

Закон Гука выполняется при  небольших деформациях. Максимальное напряжение  , при котором еще выполняется закон Гука, называется пределом пропорциональности. За пределом пропорциональности (точка А) напряжение перестает быть пропорциональным относительному удлинению; до некоторого напряжения после снятия нагрузки размеры тела восстанавливаются полностью. Такая деформация называется упругой.Максимальное напряжение  , при котором деформация еще остается упругой, называется пределом упругости(точка В). Большинство металлов испытывает упругую деформацию до значений  .   

При напряжениях, превышающих  предел упругости  , образец после снятия нагрузки не восстанавливает свою форму или первоначальные размеры. Такие деформации называются остаточными или пластическими.   

В области пластической деформации (участок CD) деформация происходит почти без увеличения напряжения. Это явление называется текучестью материала.    

Материалы, у котерых область текучести CD значительна, могут без разрушения выдерживать большие деформации. Если же область текучести материала почти отсутствует, он без разрушения сможет выдержать лишь небольшие деформации. Такие материалы называются хрупкими. Примерами хрупких материалов могут служить стекло, кирпич, бетон, чугун.   

За пределом текучести  кривая напряжений поднимается и  достигает максимума в точке Е. Напряжение, соответствующее точке Е, называется пределом прочности  . После точки Е кривая идет вниз и дальнейшая деформация вплоть до разрыва (точка К) происходит при все меньшем напряжении.

Дефекты в кристаллах. Способы повышения  прочности твердых тел. Кристаллическими телами являются все металлические изделия — стальные каркасы зданий и мостов, рельсы железных дорог, линии электропередач, станки, машины, поезда, самолеты.   

Одной из важнейших задач  науки и техники является создание прочных и надежных машин, станков  и зданий с минимальной затратой металлов и других материалов.   

Сравнение реальной прочности  кристаллов со значениями, полученными  на основании теоретических расчетов, обнаруживает весьма существенные расхождения. Теоретический предел прочности  в десятки и даже в сотни  раз превосходит значения, получаемые при испытаниях реальных образцов.   

Оказалось, что причина  расхождения теории и эксперимента заключается в наличии внутренних и поверхностных дефектов в строении кристаллических решеток.   

Самые простые дефекты  в идеальной кристаллической  решетке — точечные дефекты —  возникают при замещении собственного атома чужеродным, внедрении атома  в пространство между узлами решетки  или при отсутствии атома в  одном из узлов кристаллической  решетки (рис. 103).

Другой вид дефектов — линейные дефекты — возникает  при нарушениях в порядке расположения атомных плоскостей в кристаллах. Пример такого нарушения в структуре  кристалла представлен на рисунке 104.

Деформация и разрушение кристалла с линейным дефектом облегчаются  потому, что вместо одновременного разрыва всех связей между атомами  двух плоскостей становится возможным  поочередный разрыв небольшого числа  связей между атомами с постепенным  перемещением дефекта в кристалле.    

Для получения кристаллических  материалов с высокой прочностью нужно выращивать монокристаллы  без дефектов. Это очень сложная  задача, и поэтому в практике этот путь пока широкого распространения  не получил.   

Большинство современных  методов упрочнения материалов основано на другом способе. Для упрочнения кристалла  с дефектами в решетке можно  создать условия, при которых  перемещение дефектов в кристалле  затрудняется. Препятствием для перемещения  дефектов в кристалле могут служить  другие дефекты, специально созданные  в кристаллической решетке. Так, для увеличения прочности стали  применяется легирование стали  — введение в расплав небольших  добавок хрома, вольфрама и других элементов. Внедрение атомов чужеродных элементов в решетку кристаллов железа затрудняет перемещение линейных дефектов при деформации кристаллов, прочность стали повышается при  этом примерно в три раза. Дополнительные дефекты в кристаллической решетке  создаются при протяжке, дробеструйной  обработке металлов. Эти виды обработки  могут повышать прочность материалов примерно в два раза.