1.3 Властивості матеріалів
Властивості матеріалів можуть бути підрозділені на три найбільш загальні класи: механічні, теплові й електричні. Під механічними властивостями мають на увазі ті властивості, які виявляє матеріал при впливі механічних зусиль. Механічні властивості дозволяють найбільше наочно показати роль внутрішньої структури. Теплові властивості пов'язані із внутрішньою енергією, що визначає рух атомів й електронів, крім того, теплова енергія може впливати й на механічні властивості матеріалів. Електричні властивості обумовлені рухом електронів і зсувом зарядів.
Механічні властивості. Для опису механічної поведінки різних матеріалів необхідно знати такі властивості, як модуль пружності, міцність, пластичність, твердість і в'язкість. На рис. 1.1 показана залежність напруги від деформації, що на початковій ділянці лінійна й оборотна. Коефіцієнт пропорційності, що зв'язує оборотну деформацію з напругою, називається модулем пружності й надалі буде використовуватися для оцінки деяких характеристик атомних зв'язків.
При досить високій напрузі у пластичних матеріалів спостерігається необоротний пластичний плин, або залишкова пластична деформація. На практиці така пластична деформація приводить до зменшення площі поперечного перерізу. Внаслідок цього криві деформація - напруга можуть бути побудовані як для початкового, так і для миттєвого, тобто дійсного, поперечного перерізу зразка (рис. 1.2, б). Криві першого виду відіграють важливу роль при виборі матеріалів, тоді як криві другого виду дозволяють обчислити дійсні напруги й деформації й мають важливе значення для інтерпретації явищ, що відбуваються в самому матеріалі.
Твердість, що представляє собою опір матеріалу пластичному вдавленню індентора, не можна розглядати як «просту» властивість, оскільки під час випробування створюється складна картина напруги. Однак вимір твердості є відносно простим і надійним і може слугувати показником міцності й структурної цілісності матеріалу. Тому значення твердості будуть широко використовуватися для якісного розгляду зв'язку між властивостями й структурою.
Рис. 1.1 - Криві залежності деформації від напруги:
а -збільшений масштаб початкової ділянки кривої, наведеної на рис. 1.1б.
Знаком X відзначений момент руйнування зразка. Пунктиром дана крива напруга - деформація, отримана для дійсних розмірів поперечного перерізу. Значення міцності, як правило, ґрунтується на вихідних розмірах, якщо не зазначено особливо.
В'язкість відіграє важливу роль при зламі й руйнуванні матеріалів. В'язкість характеризується величиною поглинутої енергії або роботою руйнування. Отже, в'язкість дорівнює інтегралу від добутку напруги на деформацію, віднесеному до одиниці об'єму, і повинна була б вимірюватися в кілограм-метрах на 1 см3 (кг-м/см3). Однак руйнування являє собою складний процес, при якому деформація розподіляється нерівномірно, особливо в області тріщини. Тому в'язкість визначається як робота руйнування при випробуваннях стандартних зразків.
Теплові властивості. При подальшому викладі особливу увагу буде приділено трьом тепловим властивостям: 1) тепловому розширенню, 2) теплоємності, 3) теплопровідності. Ці властивості мають найбільше практичне значення й приводяться в довідниках.
Електричні властивості. Електричний опір R залежить від геометрії й складу матеріалу. Надалі основну увагу буде звернено на питомий опір р матеріалів. Опір і питомий електроопір пов'язані між собою:
(1.1)
де l і S - довжина зразка і площа поперечного перерізу, відповідно.
Електропровідність являє собою величину, зворотною питомому електроопору. Іноді зручно виражати електропровідність як кількість електрики Q, що пройшла за t=1 сек. через одиничний переріз S провідника довжиною l на градієнт напруги U:
тому що
(1.2)
Тут враховано, що 1 Кл = 1 А-1 сек. й 1В : 1 А = 1 Ом.
Поляризація, уявлення про яку відіграє важливу роль у розумінні структури й властивостей матеріалів, звичайно визначається як електричний дипольний момент, віднесений до одиниці об'єму. Дипольний момент виникає в матеріалі в тому випадку, коли не збігаються центри позитивного й негативного зарядів. Розглянемо диполь довжиною 1 м із зарядом на кінцях +Q й -Q, рівним 1 Кл. В електричному полі, орієнтованому під прямим кутом до диполя, виникає дипольний момент, рівний 100 Кл-см.
Атоми, іони й молекули, групуючись, можуть утворювати в матеріалі різні дипольні моменти. Хоча кожен такий диполь надзвичайно малий, число атомних диполів на одиницю об'єму велике, що викликає істотну поляризацію матеріалу.
Третьою важливою електричною характеристикою є діелектрична проникність. Діелектрична проникність являє собою коефіцієнт пропорційності між електричною індукцією D(Кл/см2) і напруженістю поля, або градієнтом напруги (Е, В/см). Цей коефіцієнт пропорційності представляють як добуток діелектричної проникності вакууму і відносної діелектричної проникності.