LOGO. Struktura a vlastnosti pevných látek

Transkript

1 Struktura a vlastnosti pevných látek

2 Rozdělení pevných látek (PL): monokrystalické krystalické Pevné látky polykrystalické amorfní

3 Pevné látky Krystalické látky jsou charakterizovány pravidelným uspořádáním částic (atomů, molekul, iontů) na velkou vzdálenost. Amorfní látky mají částice uspořádané na krátkou vzdálenost. Kolem vybrané částice jsou částice k ní nejbližší rozloženy přibližně pravidelně, ale s rostoucí vzdáleností se tato pravidelnost porušuje.

4 Krystalické látky Většina krystalických látek se vyskytuje jako polykrystaly a skládá se z velkého počtu zrn. Pokud je ale těleso tvořeno jedním velkým krystalem, pak mluvíme o monokrystalu. Monokrystal diamantu o velikosti asi 2 cm Polykrystal diamantu, velikost zrna cca nm

5 Krystalické látky Krystaly selenitu (sádrovce) z mexické jeskyně Naica. Největší z nich dosahují délky až dvanácti metrů při tloušťce 2 m.

6 Krystalová mřížka Částice pevných látek jsou v prostoru uspořádány pravidelně a vytvářejí krystalovou mřížku, která se skládá z tzv. elementárních buněk. Obvyklým tvarem elementární buňky je krychle. 30 Rozeznáváme tyto typy elementárních buněk: 0,7 Prostá - např. Po Prostorově centrovaná - např. Li, Na, K, Cr, W, Fe Plošně centrovaná - např. Al, Ni, Cu, Au

7 Složitější buňky Sůl NaCl Na+ Cl- Diamant Tuha

8 Poruchy krystalové mřížky V každém reálném krystalu existuje mnoho odchylek od pravidelného uspořádání, které nazýváme poruchy. vakance Poruchy bodové intersticiální poloha příměsi čárové např. hranová dislokace aj.

9 Bodové poruchy vakance (chybějící atom) intersticiální poloha (stejný i rozdílný atom na nesprávném místě) příměs (cizí atom na správném místě i nesprávné m místě)

10 Poruchy ovlivňují vlastnosti mechanické snižují pevnost materiálu o dva až tři řády; příměsi v železe (Cr, V, Ni) modifikují jeho vlastnosti žádoucím způsobem, tzn.ovlivňují tvrdost, pružnost, ohebnost aj. (ocel) Elektrické příměsi zvyšují vodivost polovodičů (Si) Optické příměsi zabarvují sklo nebo bezbarvé krystaly

11 DEFORMACE PEVNÉHO TĚLESA

12 Deformace pevného tělesa Pevné těleso má stálý tvar i objem. Deformace je pak změna jeho rozměrů, tvaru nebo objemu způsobená vnějšími silami. Rozdělení deformací elastická (pružná) plastická (tvárná) Jestliže deformace vymizí, když přestanou vnější síly působit, jedná se o deformaci elastickou (pružnou). Deformace tělesa, která přetrvává, se nazývá plastická (tvárná). Žádný materiál není ani dokonale elastický, ani plastický.

13 Další rozdělení deformací Tahem Tlakem Smykem Ohybem Kroucením

14 deformace v tahu

15 deformace v tlaku

16 deformace ve smyku

17 deformace v ohybu

18 deformace kroucením

19 Deformace v tahu, napětí Síla deformující těleso tahem se materiálem tělesa šíří a vyvolává v něm určitý stav napjatosti napětí (σ) S -F F F N m 2 Pa S σ napětí, S obsah kolmého průřezu

20 Hookův zákon umožňuje určit prodloužení tělesa, např. drátu, namáhaného v tahu. Prodloužení tělesa (Δl) závisí: původní délce tělesa (l 0 ) obsahu kolmého průřezu (S) deformující síle (F) materiálu (E) -45 S F l 0 l

21 Hookův zákon Hookův zákon tedy můžeme napsat: E modul pružnosti, [E] = Pa l F l 0 E S Předešlý vztah pak můžeme upravit: F S l E l 0 ε relativní prodloužení, [ε] = 1

22 Grafem závislosti σ na ε je přímka Neboli relativní prodloužení je přímo úměrné napětí, tzn.: ε ~ σ s/mpa Hookův zákon pro ocel, měď a hliník Ocel ( E = 220 GPa) Měď (E = 125 GPa) Hliník (E = 74 GPa) /1 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002

23 Mez pružnosti Hookův zákon samozřejmě neplatí pro jakákoliv prodloužení, ale pouze pro ta, při nichž napětí nepřekročí tzv. mez pružnosti (σ E ). V opačném případě zůstane těleso již trvale zdeformováno. Např. pro určitý druh oceli je mez pružnosti 330 MPa, pro měď pak 22 MPa, čemuž odpovídá relativní prodloužení asi 0,15%.

24 Mez pevnosti, dovolené napětí Pokud překročíme tzv. mez pevnosti (σ p ) v tahu nebo tlaku, dojde k přetržení tělesa nebo jeho zborcení. Např. pro určitý druh oceli je mez pevnosti 600 MPa. V praxi pak materiál můžeme namáhat pouze dovoleným napětím, které je k krát menší než mez pevnosti. Číslo k je tzv. bezpečnostní koeficient (pro kovy 4 8, dřevo a kámen 10, řemeny a provazy 4 6).

25 TEPLOTNÍ DÉLKOVÁ A OBJEMOVÁ ROZTAŽNOST PEVNÝCH LÁTEK

26 Teplotní délková roztažnost Délkovou roztažností pevného tělesa rozumíme změny jeho délky (l) způsobené změnami teploty (T). Změna délky tělesa (l) závisí na: původní délce (l 0 ) změně teploty (ΔT) materiálu (a) l o l

27 Teplotní délková roztažnost Změnu délky tělesa tedy můžeme vyjádřit: l a l0 T a materiálová konstanta a součinitel teplotní délkové roztažnosti; [a] = K -1 Délku tělesa (l) po změně teploty pak můžeme napsat: l l o l l l 0 a l 0 T l l 0 1 a T

28 Součinitele teplotní délkové roztažnosti některých kovů: materiál a.10-5 /K -1 hliník 2,4 měď 1,7 stříbro 1,9 wolfram 0,4 železo 1,2 Tzn. 100 m hliníkového drátu se při zvýšení teploty o 100 o C prodlouží o 24 cm, zatímco stejný drát z wolframu o pouhé 4 cm.

29 Závislost prodloužení drátu na změně teploty Dl/mm 2,2 l 0 = 1 m hliník stříbro 1,7 měď 1,2 železo 0,7 0,2 wolfram -0, DT/K

30 Bimetal Změny délky tělesa způsobené teplotní roztažností nejsou mnohdy patrné. Proto vyrábíme tzv. bimetal (tj. dvojkov), což jsou dva spojené plátky kovů s různou teplotní roztažností, který se při změně teploty výrazně deformuje. Využívá se v regulační a měřící technice (termostat).

31 teplotní objemová roztažnost S teplotou se mění i ostatní dva rozměry tělesa a tudíž i jeho objem. Tento jev nazýváme teplotní objemová roztažnost. Výpočet objemu po změně teploty V V a T 3 a V V 0 1 T teplotní součinitel objemové roztažnosti

32 Teplotní roztažnost v praxi Bereme ji v úvahu u těles vystavených změnám teploty, jejichž rozměry jsou značné. A proto: podkládáme mostní konstrukci ocelovými válci dáváme kovovým lanům a drátům dostatečný průvěs dáváme pístům ve válcích motorů dostatečnou vůli horkovody a parovody vybavíme pružnými koleny mezi kolejnicemi nebo betonovými deskami necháme dilatační spáry