El material sólido representa uno de los cuatro estados de agregación en los que puede estar la materia que nos rodea. En este artículo, consideraremos qué propiedades mecánicas son inherentes a los sólidos, teniendo en cuenta las peculiaridades de su estructura interna.
¿Qué es un material sólido?
Quizás todos puedan responder a esta pregunta. Una pieza de hierro, una computadora, cubiertos, automóviles, aviones, piedra, nieve, son todos ejemplos de sólidos. Desde un punto de vista físico, el estado de agregado sólido de la materia se entiende como su capacidad para conservar su forma y volumen bajo diversas influencias mecánicas. Son estas propiedades mecánicas de los sólidos las que los distinguen de los gases, líquidos y plasmas. Tenga en cuenta que el fluido también retiene volumen (es incompresible).
Los ejemplos anteriores de materiales sólidos ayudarán a comprender más claramente el importante papel que desempeñan para la vida humana y el desarrollo tecnológico de la sociedad.
Existen varias disciplinas físicas y químicas que estudian el estado de la materia bajo consideración. Enumeramos solo los más importantes:
- física sólidacuerpo;
- mecánica de deformación;
- ciencia de los materiales;
- química sólida.
Estructura de materiales duros
Antes de considerar las propiedades mecánicas de los sólidos, uno debe familiarizarse con su estructura interna a nivel atómico.
La variedad de materiales sólidos en su estructura es genial. Sin embargo, existe una clasificación universal, que se basa en el criterio de la periodicidad de la disposición de los elementos (átomos, moléculas, agrupaciones atómicas) que componen el cuerpo. Según esta clasificación, todos los sólidos se dividen en:
- cristalino;
- amorfo.
Empecemos con el segundo. Un cuerpo amorfo no tiene ninguna estructura ordenada. Los átomos o moléculas en él están dispuestos al azar. Esta característica conduce a la isotropía de las propiedades de los materiales amorfos, es decir, las propiedades no dependen de la dirección. El ejemplo más llamativo de un cuerpo amorfo es el vidrio.
Los cuerpos cristalinos o cristales, a diferencia de los materiales amorfos, tienen una disposición de elementos estructurales ordenada en el espacio. En la microescala, pueden distinguir entre planos cristalinos y filas atómicas paralelas. Debido a esta estructura, los cristales son anisótropos. Además, la anisotropía se manifiesta no solo en las propiedades mecánicas de los sólidos, sino también en las propiedades eléctricas, electromagnéticas y otras. Por ejemplo, un cristal de turmalina solo puede transmitir vibraciones de una onda de luz en una dirección, lo que conduce apolarización de la radiación electromagnética.
Los ejemplos de cristales son casi todos los materiales metálicos. Se encuentran con mayor frecuencia en tres redes cristalinas: cúbicas centradas en las caras y centradas en el cuerpo (fcc y bcc, respectivamente) y compactas hexagonales (hcp). Otro ejemplo de cristales es la sal común de mesa. A diferencia de los metales, sus nodos no contienen átomos, sino aniones de cloruro o cationes de sodio.
La elasticidad es la principal propiedad de todos los materiales duros
Aplicando incluso la tensión más pequeña a un sólido, hacemos que se deforme. A veces, la deformación puede ser tan pequeña que no se nota. Sin embargo, todos los materiales sólidos se deforman cuando se les aplica una carga externa. Si después de quitar esta carga, la deformación desaparece, entonces hablan de la elasticidad del material.
Un ejemplo vívido del fenómeno de la elasticidad es la compresión de un resorte metálico, que se describe mediante la ley de Hooke. A través de la fuerza F y la tensión absoluta (compresión) x, esta ley se escribe de la siguiente manera:
F=-kx.
Aquí k es un número.
En el caso de metales a granel, la ley de Hooke generalmente se escribe en términos de la tensión externa aplicada σ, la deformación relativa ε y el módulo de Young E:
σ=Eε.
El módulo de Young es un valor constante para un material en particular.
La característica de la deformación elástica, que la distingue de la deformación plástica, es la reversibilidad. Los cambios relativos en el tamaño de los sólidos bajo deformación elástica no exceden el 1%. Muy a menudo se encuentran en la región de 0,2%. Las propiedades elásticas de los sólidos se caracterizan por la ausencia de desplazamiento de las posiciones de los elementos estructurales en la red cristalina del material después de la terminación de la carga externa.
Si la fuerza mecánica externa es lo suficientemente grande, luego de que termine su acción sobre el cuerpo, puede ver la deformación residual. Se llama plástico.
Plasticidad de sólidos
Hemos considerado las propiedades elásticas de los sólidos. Ahora pasemos a las características de su plasticidad. Mucha gente sabe y ha observado que si golpeas un clavo con un martillo, se aplana. Este es un ejemplo de deformación plástica. A nivel atómico, es un proceso complejo. La deformación plástica no puede ocurrir en cuerpos amorfos, por lo que el vidrio no se deforma cuando es golpeado, sino que colapsa.
Los cuerpos sólidos y su capacidad de deformarse plásticamente depende de la estructura cristalina. La deformación irreversible considerada ocurre debido al movimiento de complejos atómicos especiales en el volumen del cristal, que se denominan dislocaciones. Estos últimos pueden ser de dos tipos (marginal y de tornillo).
De todos los materiales sólidos, los metales tienen la mayor plasticidad, ya que proporcionan una gran cantidad de planos de deslizamiento dirigidos en diferentes ángulos en el espacio para las dislocaciones. Por el contrario, los materiales con enlaces covalentes o iónicos serán frágiles. Estos se pueden atribuirgemas o la sal de mesa mencionada.
Fragilidad y tenacidad
Si constantemente aplicas una fuerza externa a cualquier material sólido, tarde o temprano colapsará. Hay dos tipos de destrucción:
- frágil;
- viscoso.
La primera se caracteriza por la aparición y rápido crecimiento de grietas. Las fracturas frágiles conllevan consecuencias catastróficas en la producción, por lo que se intenta utilizar materiales y sus condiciones de operación bajo las cuales la destrucción del material sería dúctil. Este último se caracteriza por el lento crecimiento de grietas y la absorción de una gran cantidad de energía antes de fallar.
Para cada material existe una temperatura que caracteriza la transición frágil-dúctil. En la mayoría de los casos, una disminución de la temperatura cambia la fractura de dúctil a frágil.
Cargas cíclicas y permanentes
En ingeniería y física, las propiedades de los sólidos también se caracterizan por el tipo de carga que se les aplica. Entonces, un efecto cíclico constante en el material (por ejemplo, tensión-compresión) se describe mediante la llamada resistencia a la fatiga. Muestra cuántos ciclos de aplicación de una determinada cantidad de tensión está garantizado que el material resistirá sin romperse.
La fatiga de un material también se estudia bajo carga constante, midiendo la velocidad de deformación a lo largo del tiempo.
Dureza de los materiales
Una de las propiedades mecánicas importantes de los sólidos es la dureza. ella definela capacidad del material para evitar la introducción de un cuerpo extraño en él. Empíricamente, es muy sencillo determinar cuál de los dos cuerpos es más duro. Solo es necesario rascar uno de ellos con el otro. El diamante es el cristal más duro. Arañará cualquier otro material.
Otras propiedades mecánicas
Los materiales duros tienen algunas propiedades mecánicas distintas a las mencionadas anteriormente. Los enumeramos brevemente:
- ductilidad: la capacidad de adoptar varias formas;
- ductilidad: la capacidad de estirarse en hilos finos;
- capacidad para resistir tipos especiales de deformación, como flexión o torsión.
Así, la estructura microscópica de los sólidos determina en gran medida sus propiedades.
