La matière solide représente l'un des quatre états d'agrégation dans lesquels peut se trouver la matière qui nous entoure. Dans cet article, nous examinerons quelles propriétés mécaniques sont inhérentes aux solides, en tenant compte des particularités de leur structure interne.
Qu'est-ce qu'un matériau solide ?
Peut-être que tout le monde peut répondre à cette question. Un morceau de fer, un ordinateur, des couverts, des voitures, des avions, de la pierre, de la neige sont tous des exemples de solides. D'un point de vue physique, l'état d'agrégat solide de la matière est compris comme sa capacité à conserver sa forme et son volume sous diverses influences mécaniques. Ce sont ces propriétés mécaniques des solides qui les distinguent des gaz, des liquides et des plasmas. Notez que le fluide conserve également du volume (il est incompressible).
Les exemples ci-dessus de matériaux solides aideront à mieux comprendre le rôle important qu'ils jouent pour la vie humaine et le développement technologique de la société.
Il existe plusieurs disciplines physiques et chimiques qui étudient l'état de la matière considérée. Nous n'énumérons que les plus importants d'entre eux:
- physique du solidecorps;
- mécanique de la déformation;
- science des matériaux;
- chimie solide.
Structure des matériaux durs
Avant de considérer les propriétés mécaniques des solides, il faut se familiariser avec leur structure interne au niveau atomique.
La variété de matériaux solides dans leur structure est grande. Néanmoins, il existe une classification universelle, qui repose sur le critère de la périodicité de l'arrangement des éléments (atomes, molécules, amas atomiques) qui composent le corps. Selon cette classification, tous les solides sont divisés comme suit:
- cristallin;
- amorphe.
Commençons par la seconde. Un corps amorphe n'a pas de structure ordonnée. Les atomes ou les molécules qu'il contient sont disposés de manière aléatoire. Cette caractéristique conduit à l'isotropie des propriétés des matériaux amorphes, c'est-à-dire que les propriétés ne dépendent pas de la direction. L'exemple le plus frappant d'un corps amorphe est le verre.
Les corps cristallins ou cristaux, contrairement aux matériaux amorphes, ont un arrangement d'éléments structuraux ordonnés dans l'espace. À l'échelle microscopique, ils peuvent distinguer les plans cristallins des rangées atomiques parallèles. En raison de cette structure, les cristaux sont anisotropes. De plus, l'anisotropie se manifeste non seulement dans les propriétés mécaniques des solides, mais également dans les propriétés électriques, électromagnétiques et autres. Par exemple, un cristal de tourmaline ne peut transmettre les vibrations d'une onde lumineuse que dans une seule direction, ce qui conduit àpolarisation du rayonnement électromagnétique.
Les exemples de cristaux sont presque tous des matériaux métalliques. On les trouve le plus souvent dans trois réseaux cristallins: cubique à faces centrées et à corps centré (fcc et bcc, respectivement) et hexagonal compact (hcp). Un autre exemple de cristaux est le sel de table commun. Contrairement aux métaux, ses nœuds ne contiennent pas d'atomes, mais des anions chlorure ou des cations sodium.
L'élasticité est la principale propriété de tous les matériaux durs
En appliquant la moindre contrainte à un solide, nous le déformons. Parfois, la déformation peut être si petite qu'elle ne peut pas être remarquée. Cependant, tous les matériaux solides se déforment lorsqu'une charge externe est appliquée. Si, après avoir retiré cette charge, la déformation disparaît, alors ils parlent de l'élasticité du matériau.
Un exemple frappant du phénomène d'élasticité est la compression d'un ressort métallique, décrite par la loi de Hooke. A travers la force F et la tension absolue (compression) x, cette loi s'écrit comme suit:
F=-kx.
Ici k est un nombre.
Dans le cas des métaux en vrac, la loi de Hooke est généralement écrite en termes de contrainte externe appliquée σ, de déformation relative ε et de module de Young E:
σ=Eε.
Le module de Young est une valeur constante pour un matériau particulier.
La caractéristique de la déformation élastique, qui la distingue de la déformation plastique, est la réversibilité. Les changements relatifs de la taille des solides sous déformation élastique ne dépassent pas 1%. Le plus souvent, ils se situent aux alentours de 0,2 %. Les propriétés élastiques des solides sont caractérisées par l'absence de déplacement des positions des éléments structuraux dans le réseau cristallin du matériau après la fin de la charge externe.
Si la force mécanique externe est suffisamment importante, alors après la fin de son action sur le corps, vous pouvez voir la déformation résiduelle. Ça s'appelle du plastique.
Plasticité des solides
Nous avons considéré les propriétés élastiques des solides. Passons maintenant aux caractéristiques de leur plasticité. Beaucoup de gens savent et ont observé que si vous frappez un clou avec un marteau, il s'aplatit. Ceci est un exemple de déformation plastique. Au niveau atomique, c'est un processus complexe. La déformation plastique ne peut pas se produire dans les corps amorphes, de sorte que le verre ne se déforme pas lorsqu'il est frappé, mais s'effondre.
Les corps solides et leur capacité à se déformer plastiquement dépendent de la structure cristalline. La déformation irréversible considérée se produit en raison du mouvement de complexes atomiques spéciaux dans le volume du cristal, appelés dislocations. Ce dernier peut être de deux types (marginal et vis).
De tous les matériaux solides, les métaux ont la plus grande plasticité, car ils fournissent un grand nombre de plans de glissement dirigés à différents angles dans l'espace pour les dislocations. A l'inverse, les matériaux avec des liaisons covalentes ou ioniques seront cassants. Celles-ci peuvent être attribuéesgemmes ou le sel de table mentionné.
Fragilité et ténacité
Si vous appliquez constamment une force externe à un matériau solide, il s'effondrera tôt ou tard. Il existe deux types de destruction:
- fragile;
- visqueux.
Le premier se caractérise par l'apparition et la croissance rapide de fissures. Les ruptures fragiles entraînent des conséquences catastrophiques en production, par conséquent, ils essaient d'utiliser des matériaux et leurs conditions de fonctionnement dans lesquelles la destruction du matériau serait ductile. Ce dernier se caractérise par une croissance lente des fissures et l'absorption d'une grande quantité d'énergie avant la rupture.
Pour chaque matériau, il existe une température qui caractérise la transition fragile-ductile. Dans la plupart des cas, une diminution de la température fait passer la rupture de ductile à fragile.
Charges cycliques et permanentes
En ingénierie et en physique, les propriétés des solides sont également caractérisées par le type de charge qui leur est appliqué. Ainsi, un effet cyclique constant sur le matériau (par exemple, traction-compression) est décrit par ce qu'on appelle la résistance à la fatigue. Il montre combien de cycles d'application d'une quantité particulière de contrainte le matériau est garanti pour résister sans se casser.
La fatigue d'un matériau s'étudie également sous charge constante, en mesurant la vitesse de déformation dans le temps.
Dureté des matériaux
L'une des propriétés mécaniques importantes des solides est la dureté. Elle définitla capacité du matériau à empêcher l'introduction d'un corps étranger dans celui-ci. Empiriquement, il est très simple de déterminer lequel des deux corps est le plus dur. Il suffit de gratter l'un d'eux avec l'autre. Le diamant est le cristal le plus dur. Il rayera tout autre matériau.
Autres propriétés mécaniques
Les matériaux durs ont des propriétés mécaniques autres que celles indiquées ci-dessus. Nous les énumérons brièvement:
- ductilité - la capacité de prendre différentes formes;
- ductilité - la capacité de s'étirer en fils fins;
- capacité à résister à des types spéciaux de déformation, comme la flexion ou la torsion.
Ainsi, la structure microscopique des solides détermine en grande partie leurs propriétés.
