Bərk material ətrafımızdakı maddənin ola biləcəyi dörd birləşmə vəziyyətindən birini təmsil edir. Bu məqalədə biz onların daxili quruluşunun xüsusiyyətlərini nəzərə alaraq bərk cisimlərə hansı mexaniki xassələrin xas olduğunu nəzərdən keçirəcəyik.
Bərk material nədir?
Bəlkə hamı bu suala cavab verə bilər. Bir dəmir parçası, kompüter, bıçaq, maşın, təyyarə, daş, qar bərk cisimlərə misaldır. Fiziki nöqteyi-nəzərdən maddənin bərk məcmu vəziyyəti dedikdə onun müxtəlif mexaniki təsirlər altında öz formasını və həcmini saxlamaq qabiliyyəti başa düşülür. Bərk cisimləri qazlardan, mayelərdən və plazmalardan fərqləndirən məhz bu mexaniki xassələridir. Nəzərə alın ki, maye həmçinin həcmi saxlayır (sıxılmır).
Yuxarıdakı bərk material nümunələri onların insan həyatı və cəmiyyətin texnoloji inkişafı üçün nə qədər mühüm rol oynadığını daha aydın başa düşməyə kömək edəcək.
Nəzərdə tutulan maddənin vəziyyətini öyrənən bir neçə fiziki və kimyəvi fənlər var. Onlardan yalnız ən vaciblərini sadalayırıq:
- bərk fizikabədən;
- deformasiya mexanikası;
- materialşünaslıq;
- bərk kimya.
Sərt materialların strukturu
Bərk cisimlərin mexaniki xassələrini nəzərdən keçirməzdən əvvəl onların atom səviyyəsində daxili quruluşu ilə tanış olmaq lazımdır.
Onların strukturunda bərk materialların müxtəlifliyi böyükdür. Buna baxmayaraq, bədəni təşkil edən elementlərin (atomlar, molekullar, atom çoxluqları) nizamlanmasının dövriliyi meyarına əsaslanan universal bir təsnifat mövcuddur. Bu təsnifata görə bütün bərk maddələr aşağıdakılara bölünür:
- kristal;
- amorf.
İkincidən başlayaq. Amorf bir cismin nizamlı quruluşu yoxdur. İçindəki atomlar və ya molekullar təsadüfi düzülür. Bu xüsusiyyət amorf materialların xassələrinin izotropiyasına gətirib çıxarır, yəni xassələri istiqamətdən asılı deyildir. Amorf cismin ən parlaq nümunəsi şüşədir.
Kristal cisimlər və ya kristallar, amorf materiallardan fərqli olaraq, məkanda nizamlanmış struktur elementlərinin düzülüşünə malikdirlər. Mikromiqyasda onlar kristal müstəviləri və paralel atom sıralarını ayırd edə bilirlər. Bu quruluşa görə kristallar anizotropdur. Üstəlik, anizotropiya təkcə bərk cisimlərin mexaniki xassələrində deyil, həm də elektrik, elektromaqnit və digərlərinin xassələrində özünü göstərir. Məsələn, bir turmalin kristalı yalnız bir istiqamətdə işıq dalğasının vibrasiyasını ötürə bilər ki, bu daelektromaqnit şüalanmasının qütbləşməsi.
Kristal nümunələri demək olar ki, bütün metal materiallardır. Onlar ən çox üç kristal qəfəsdə olur: üz mərkəzli və bədən mərkəzli kub (müvafiq olaraq fcc və bcc) və altıbucaqlı sıx yığılmış (hcp). Kristalların başqa bir nümunəsi adi xörək duzudur. Metallardan fərqli olaraq, onun düyünləri atomları deyil, xlorid anionlarını və ya natrium kationlarını ehtiva edir.
Elastiklik bütün sərt materialların əsas xüsusiyyətidir
Bərk cismə ən kiçik gərginliyi belə tətbiq etməklə onun deformasiyasına səbəb oluruq. Bəzən deformasiya o qədər kiçik ola bilər ki, onu hiss etmək olmur. Bununla belə, bütün bərk materiallar xarici yük tətbiq edildikdə deformasiyaya uğrayır. Əgər bu yükü götürdükdən sonra deformasiya yox olarsa, o zaman materialın elastikliyindən danışırlar.
Elastiklik fenomeninin parlaq nümunəsi Huk qanunu ilə təsvir edilən metal yayın sıxılmasıdır. F qüvvəsi və mütləq gərginlik (sıxılma) x vasitəsilə bu qanun aşağıdakı kimi yazılır:
F=-kx.
Burada k bir ədəddir.
Tökmə metallara münasibətdə Huk qanunu adətən tətbiq olunan xarici gərginlik σ, nisbi deformasiya ε və Young modulu E baxımından yazılır:
σ=Eε.
Gəncin modulu müəyyən material üçün sabit dəyərdir.
Elastik deformasiyanı plastik deformasiyadan fərqləndirən xüsusiyyəti geri dönmə qabiliyyətidir. Elastik deformasiya zamanı bərk cisimlərin ölçülərində nisbi dəyişikliklər 1%-dən çox olmur. Çox vaxt onlar 0,2% bölgədə yatır. Bərk cisimlərin elastik xassələri xarici yükün dayandırılmasından sonra materialın kristal qəfəsindəki struktur elementlərinin mövqelərinin yerdəyişmələrinin olmaması ilə xarakterizə olunur.
Xarici mexaniki qüvvə kifayət qədər böyükdürsə, onun bədənə təsiri bitdikdən sonra qalıq deformasiyanı görə bilərsiniz. Bu plastik adlanır.
Bərk cisimlərin plastikliyi
Bərk cisimlərin elastik xüsusiyyətlərini nəzərdən keçirdik. İndi onların plastikliyinin xüsusiyyətlərinə keçək. Bir çox insan bilir və müşahidə edib ki, mismarla çəkic vursan, o, yastılaşır. Bu plastik deformasiya nümunəsidir. Atom səviyyəsində bu, mürəkkəb bir prosesdir. Amorf cisimlərdə plastik deformasiya baş verə bilməz, ona görə də şüşə vurulduqda deformasiya etmir, çökür.
Bərk cisimlər və onların plastik deformasiyaya uğrama qabiliyyəti kristal quruluşdan asılıdır. Nəzərə alınan geri dönməz deformasiya kristalın həcmində dislokasiya adlanan xüsusi atom komplekslərinin hərəkəti nəticəsində baş verir. Sonuncu iki növ ola bilər (marjinal və vida).
Bütün bərk materiallar arasında metallar ən böyük plastikliyə malikdir, çünki onlar dislokasiyalar üçün məkanda müxtəlif bucaqlara yönəldilmiş çoxlu sayda sürüşmə müstəvilərini təmin edirlər. Əksinə, kovalent və ya ion bağları olan materiallar kövrək olacaq. Bunlara aid edilə bilərqiymətli daşlar və ya qeyd olunan xörək duzu.
Kövrəklik və möhkəmlik
Hər hansı bərk materiala daim xarici qüvvə tətbiq etsəniz, o, gec-tez çökəcək. İki növ məhv var:
- kövrək;
- özlü.
Birincisi çatların görünüşü və sürətli böyüməsi ilə xarakterizə olunur. Kövrək qırıqlar istehsalda fəlakətli nəticələrə gətirib çıxarır, buna görə də materialın məhv edilməsinin çevik olacağı materiallardan və onların iş şəraitindən istifadə etməyə çalışırlar. Sonuncu çatlaqların yavaş böyüməsi və uğursuzluqdan əvvəl böyük miqdarda enerjinin udulması ilə xarakterizə olunur.
Hər bir material üçün kövrək-çevik keçidi xarakterizə edən bir temperatur var. Əksər hallarda temperaturun azalması sınığı çevikdən kövrəyə dəyişir.
Tsiklik və daimi yüklər
Mühəndislik və fizikada bərk cisimlərin xassələri onlara tətbiq olunan yükün növü ilə də xarakterizə olunur. Beləliklə, materiala daimi tsiklik təsir (məsələn, gərginlik-sıxılma) sözdə yorğunluq müqaviməti ilə təsvir olunur. Bu, materialın qırılmadan dayanmasına zəmanət verildiyi müəyyən miqdarda gərginliyin tətbiqinin neçə dövrə olduğunu göstərir.
Materialın yorğunluğu da sabit yük altında, zamanla deformasiya dərəcəsini ölçməklə öyrənilir.
Materialların sərtliyi
Bərk cisimlərin mühüm mexaniki xassələrindən biri sərtlikdir. O müəyyən edirmaterialın ona yad cismin daxil olmasının qarşısını almaq qabiliyyəti. Empirik olaraq, iki cismin hansının daha çətin olduğunu müəyyən etmək çox sadədir. Yalnız birini digəri ilə cızmaq lazımdır. Almaz ən sərt kristaldır. Hər hansı digər materialı cızacaq.
Digər mexaniki xüsusiyyətlər
Sərt materiallar yuxarıda qeyd olunanlardan başqa bəzi mexaniki xüsusiyyətlərə malikdir. Biz onları qısaca sadalayırıq:
- çeviklik - müxtəlif formalar almaq bacarığı;
- çeviklik - nazik saplara uzanma qabiliyyəti;
- əyilmə və ya burulma kimi xüsusi deformasiya növlərinə müqavimət göstərmək qabiliyyəti.
Beləliklə, bərk cisimlərin mikroskopik quruluşu əsasən onların xassələrini müəyyən edir.
