Свойства кристаллических и аморфных твердых тел

ЧАСТЬ 2. СВОЙСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И  АМОРФНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

2.1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Комплекс параметров: прочность при статическом и динамическом нагружении, твердость, пластичность, износостойкость, сопротивление растущей трещине - называют механическими свойствами твердых тел. Эти свойства и обусловливают практическое применение веществ в качестве конструкционных, строительных, электротехнических и других материалов в условиях влияния различных сред и в различных силовых полях. Они обусловливают уровень качества изделий и, следовательно, уровень материального производства общества, уровень цивилизации. Исследования и достижения в этом направлении определяют прогресс основных отраслей хозяйства и в первую очередь - ее авангардных технических областей: приборостроения, машиностроения и материаловедения для низко- и высокотемпературных областей использования, авиа- и ракетостроения и т.д.

Успехи в создании особо прочных и надежных материалов позволяют реализовать создание долговечных изделий (зданий и сооружений, машин и устройств), сочетать низкую материалоемкость с высокими эксплуатационными качествами продукции.

Все перечисленные выше свойства являются многопараметровыми функциями, включающими химический состав, тип и энергию межатомных связей, структуру тел и их дефектность, свойства и воздействие внешней среды, напряженное состояние объема, создаваемое внешними силами и физическими полями, и динамику их развития. Поэтому для характеристики и испытания материалов разработаны стандартизованные методы, позволяющие получать однозначные величины основных механических параметров: пределы прочности материалов на растяжение (s_р), сжатие (s_сж), изгиб (s_и), твердость или микротвердость (Н или Н_m),  ударную прочность (а_к) и сопротивление материала развитию трещины (К_Ic), модули упругости (Е) и сдвига (G).

Накопленные знания свидетельствуют о широкой гамме возможных свойств, в некоторых материалах приближающихся к теоретическому пределу, но зачастую - весьма далеких от предельных значений.

В табл.2.1.1 приведены некоторые важнейшие механические свойства твердых тел, полученные в различных условиях, и для сравнения теоретические значения некоторых идеальных структур. Необозримое множество применяемых промышленностью твердых тел не позволяет провести сколько-нибудь подробный анализ и исчерпывающую классификацию их по механическим свойствам. Приведены обобщенные  данные по самым широко распространенным классам веществ с некоторыми конкретными примерами максимальных на сегодняшний день достижений для металлов, аморфных материалов, тонких нитей и монокристаллов - "усов", поликристаллической керамики.

В табл.2.1.1 представлены не все данные о материалах не только потому, что отыскание их в справочной и монографической литературе представляет большую трудность, но и потому, что в ряде случаев при создании или исследовании конкретного материала стоит узкая, прагматическая цель - достижение высоких служебных характеристик в заданных условиях. Таблица не отражает, например, что "рекордсменами" по тугоплавкости являются НfС(3887°С), TaC (3877^oC) и ThO₂ (3050) и, следовательно, они особо перспективны для изделий, работающих при сверхвысоких температурах. Лишь из сравнения с многими другими веществами становится ясно, что термическая устойчивость BeO значительно выше, чем у всех оксидных материалов, да и у других керамических материалов.

Из таблицы видно, что самым твердым после алмаза веществом является кубический, или b-нитрид бора ("боразон" или "эльбор"), а аморфные металлы и нитевидные кристаллы - "усы" являются наиболее прочными искусственно созданными материалами, но и их свойства еще не достигают теоретически возможных, у реальных же макроскопических тел расхождение свойств наблюдается в 100 и 1000 раз.

В данной части курса будет предпринята попытка осветить физические причины несоответствия теоретического и реального уровней механических свойств твердых тел и наметить пути дальнейшего совершенствования характеристик реальных материалов.

СМОТРИ ФАЙЛtabl.2.1.1.doc

Таблица 2.1.1

              Механические свойства некоторых веществ и конструкционных материалов