?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

детский вопрос

Господа химики, физики, материаловеды и, не побоюсь этого слова, механики!
Ребенок спросил, а я темная:
Чем определяется прочность материала? Можно ли ее предсказать и как ее объяснить? Ну я понимаю, что прочность понятие расплывчатое - что это такое? Твердость - более менее понятно? Но твердое вещество может быть хрупким, например.
Почему титан и его сплавы такой прочный?

В моем детстве, например, все предметы из пластика выглядели подозрительными, а сейчас телефон в моем кармане выглядит практически неубиваемым, хотя металла, скажем, в нем немного.

Comments

( 73 comments — Leave a comment )
prof_moriarty
Mar. 10th, 2013 04:06 am (UTC)
(берет попкорн и усаживаеццо в первый ряд)
Йеся, берите уж газировку и садитесь рядом.
overscience_mes
Mar. 10th, 2013 04:10 am (UTC)
Re: (берет попкорн и усаживаеццо в первый ряд)
в качестве входного билета - ваш ответ на любой вопрос :) А так - у меня даже пиво есть :)

*жалуется* эти гады время переводят сегодня
seadevil001
Mar. 10th, 2013 04:41 am (UTC)
Re: (берет попкорн и усаживаеццо в первый ряд)
Токо помидорами не кидайтесь!
(в недоумении) - seadevil001 - Mar. 10th, 2013 05:01 am (UTC) - Expand
(Deleted comment)
overscience_mes
Mar. 10th, 2013 04:24 am (UTC)
а как сплошность по-русски или по-английски? не знаешь

твердость и прочность, коррелирует?
(no subject) - seadevil001 - Mar. 10th, 2013 04:41 am (UTC) - Expand
(no subject) - overscience_mes - Mar. 10th, 2013 04:43 am (UTC) - Expand
(no subject) - seadevil001 - Mar. 10th, 2013 04:52 am (UTC) - Expand
(no subject) - overscience_mes - Mar. 10th, 2013 04:54 am (UTC) - Expand
(no subject) - prof_moriarty - Mar. 10th, 2013 04:55 am (UTC) - Expand
(no subject) - seadevil001 - Mar. 10th, 2013 05:02 am (UTC) - Expand
(no subject) - prof_moriarty - Mar. 10th, 2013 04:44 am (UTC) - Expand
(no subject) - overscience_mes - Mar. 10th, 2013 04:49 am (UTC) - Expand
(no subject) - prof_moriarty - Mar. 10th, 2013 04:52 am (UTC) - Expand
(no subject) - overscience_mes - Mar. 10th, 2013 04:56 am (UTC) - Expand
Я лажанулся. - prof_moriarty - Mar. 10th, 2013 04:59 am (UTC) - Expand
Re: Я лажанулся. - overscience_mes - Mar. 10th, 2013 05:02 am (UTC) - Expand
(no subject) - seadevil001 - Mar. 10th, 2013 05:01 am (UTC) - Expand
(Deleted comment)
(no subject) - overscience_mes - Mar. 10th, 2013 07:00 am (UTC) - Expand
(Deleted comment)
(no subject) - overscience_mes - Mar. 10th, 2013 07:08 am (UTC) - Expand
slider_z
Mar. 10th, 2013 05:52 am (UTC)
Прочность материала определяется упругими модулями, причём нужно отдельно знать для какого типа нагружения - изгиба, сдвига, кручения. Упругие модули в свою очередь определяются взаимодействием атомов. Упаковка тут ни при чём, конечно, потому что она сама определяется взаимодействием атомов.
Графит, например, по понятным причинам очень хорошо сопротивляется изгибу, перпендикулярному базовым плоскостям, но вот сдвиговая прочность вдоль этих самых плоскостей у него ничтожна.
Этот аппарат, впрочем, будет нормально работать только для кристаллических тел, поскольку он основан на тензорном представлении упругих свойств твёрдых тел.
Для полимеров и аморфных веществ всё будет несколько сложнее. Често говоря, я ими совершенно не интересовался. Мне смутно кажется, что аморфное тело будет вести себя как изотропное, поскольку у него нет дальнего порядка.

По поводу предсказания. Нужно определиться с тем, что именно предсказывать. Если величины модулей, то это расчёты - потенциалы, атомы, короче, всё, чего я не знаю))) Если предсказание свойств материала исходя из знания кристаллической структуры и величин модулей - другое дело. Тот же графит, например.
overscience_mes
Mar. 10th, 2013 06:00 am (UTC)
спасибо
да, черта с два, я это ребенку объясню :) а упругий модуль это устоявшийся термин? как его на пальцах объяснить?
(no subject) - duchifat - Mar. 10th, 2013 06:25 am (UTC) - Expand
(no subject) - overscience_mes - Mar. 10th, 2013 06:26 am (UTC) - Expand
(no subject) - slider_z - Mar. 10th, 2013 09:13 am (UTC) - Expand
(no subject) - duchifat - Mar. 10th, 2013 12:32 pm (UTC) - Expand
(no subject) - slider_z - Mar. 10th, 2013 12:52 pm (UTC) - Expand
(no subject) - duchifat - Mar. 10th, 2013 01:27 pm (UTC) - Expand
(no subject) - slider_z - Mar. 10th, 2013 02:05 pm (UTC) - Expand
lyuden
Mar. 10th, 2013 06:28 am (UTC)
Как человек немножко занимавшийся прочностью полимеров могу сказать, что как аморфные они себя ведут не всегда. Даже не говоря о всяких неньютоновских жидкостях и прочее. Например при растяжении полиэтилена его "прочность" меняется нелинейно да еще зависит от того с какой скоростью его растягивать, это грубо говоря связано с тем что в какой то момент его длинные молекулы выстраиваются вдоль и "склеиваются" между собой, а мелкие куски которые обеспечивали текучесть уже разъехались, cобственно это легко можно пронаблюдать на любом пакете.

От массы молекул тоже дофига чего зависит, каяки в которых люди прыгают с 15 м на скали, тоже сделаны из полиэтилена, только высокомолекулярного.



(no subject) - overscience_mes - Mar. 10th, 2013 06:30 am (UTC) - Expand
(no subject) - lyuden - Mar. 10th, 2013 06:54 am (UTC) - Expand
(no subject) - slider_z - Mar. 10th, 2013 12:53 pm (UTC) - Expand
lyuden
Mar. 10th, 2013 06:46 am (UTC)
Я когда племянницам племянникам (13, 14, 15), когда они задавали такие вопросы постарался загрузить байками примерно из этой области, на сложные вопросы не отвечая, надо было продержаться всего час.

Байки. Про прочность алмазов, и про козлиную кровь (типа раньше считали, что без нее не расколется), алмазы твердые, но хрупкие, и сущесвует байка, что какие то варвары захватив чужую ставку, принялись "проверять" алмазы расколотив все к чертям.

Опять же про шкалу твердости, кто кого царапает, тот и тверже, алмаз тверже стекла, а стекло тверже алюминия.

Потом я рассказывал байку про цементирующие свойства свободных электронов, типа вот в металлах электронов свободных много и они быстрые поэтому они успевают перестроиться при деформации и поэтому металлы которые являются хорошими проводниками золото, серебро, медь - они легко куются, а вот песок кварц - диэлектрик, свободных электронов нет - хрупкий.

Это все байка потому, что графит тоже неплохой проводник, но еще и хрупкий.

Ну и то что я писал про каяки и полиэтиленовые пакеты.




overscience_mes
Mar. 10th, 2013 06:57 am (UTC)
вот что значит опыт педагога :)
(Deleted comment)
(no subject) - lyuden - Mar. 10th, 2013 09:22 am (UTC) - Expand
(no subject) - overscience_mes - Mar. 11th, 2013 04:34 am (UTC) - Expand
brother2
Mar. 10th, 2013 08:32 am (UTC)
У прочности есть два аспекта:
1) микро
2) макро

В первом случае - все эти модули упругости, энергии дислокаций и прочее - тут можно описать ковкость металлов и хрупкость оксидов диэлрктриков, кароч не всё, но но оч много чего описывается и предсказывается от атомной структуры, НО - все это относится к веществам, в опчемьто идеальным (или с определённым % только выбраной примеси) бесконечным кристаллам, ну и хорошим поверхностям. Иногрда это верно и для материалов - того из чего всё сделано а иногда нет, ибо:

в реалиях мы имеем дело с материалами состоящими из зерён, границы которых и сцепление меж которыми оч важно, да и распределение примесей оч важно. Вокруг этого вся чорная металлургия вертится, как меняя процесс обработки железа наиграть нужные свойства варьруя концентрацуию углерода в нужное время в нуюном месте, и чтоб выпадали нужнуе макроструктуры. То есть с стали одним и тем же химсоставом могут обладать сильно разными свойствами. Красивый пример в тему: обычно фосфор в стали - это плохо, потому что он выпадает меж зернами и ослабляет их связь, даж термин есть - красноломкость, но с другой стороны в сохранившихся образцах булата фосфора много. Какьто в процессе хитрой обработки его так нейтрализовали, а как - секрет.
И вот с этими макро делами -всё обстоит гораздо сложнее, ибо всё сильно неидеальное, слишком много всего надо учитывать, и пока только сугубо эмпирика или одели построенные на обобщении эмпирики.
slider_z
Mar. 10th, 2013 09:14 am (UTC)
О, ППКС!
overscience_mes
Mar. 11th, 2013 04:32 am (UTC)
круто...
а к секрету булата даже и не приблизились?
(no subject) - brother2 - Mar. 11th, 2013 04:42 am (UTC) - Expand
(no subject) - overscience_mes - Mar. 11th, 2013 04:48 am (UTC) - Expand
penguinny
Mar. 10th, 2013 10:38 am (UTC)
Нужно начать с того, что тут в комментариях путают прочность, твёрдость и жёсткость. Давайте возьмём в руки ваш мобильный телефон и, скажем, школьную линейку, и договоримся, какое слово что обозначает.

Жесткость - это характеристика того, что происходит до любых видимых (и невидимых) повреждений. Если вы нажмёте на заднюю крышку телефона, она продавится. Изогнуть линейку легко. Если потянуть линейку за противоположные концы, она тоже деформируется, хотя и невидимо глазу. Во всех этих случаях если вы перестаните нажимать или тянуть, предметы вернутся в исходное состояние. Жёсткость характеризует насколько трудно вам было изгибать или продавливать. Например, деревянная линейка будет обычно жёстче на изгиб нежели металлическая. На микроуровне материал после всех этих манипуляций практически не меняется. Атомы и молекулы, более или менее, остаются там же, где они были исходно.

Прочность - это такая немного расплывчатая характеристика того, в какой именно момент наши исследования жёсткости переходят ту границу, где материал уже не сможет вернуться в исходное состояние. Если нажать на крышку телефона как следует она может треснуть. Если гнуть деревянную линейку слишком упорно, она, наверное, лопнет. Если гнуть металлическую линейку, она скорее всего погнётся, и уже не разогнётся в исходное состояние. Из этих наблюдений должно быть видно, что расплывчатость слова "прочность" происходит из-за того, что разрушение может происходить очень по-разному и быть связанным с совершенно разными механизмами. В очень общих чертах, на микро-уровне некоторые материалы могут позволять довольно обширные перемещения положений атомов (или молекул). Вспомните как вы гнули в детстве алюминевую проволоку - не очень-то её и сломаешь. С другой стороны, погнуть (или, скажем, продавить) предмет из такого алюминия достаточно просто. Т.е. для алюминия под прочностью будут понимать скорее момент, когда материал поддался, а не тогда, когда наступило полное разрушение алюминевого предмета. С другой стороны, материал вроде стекла устроен на микро-уровне по-другому, так что он не позволяет существенные перемещения молекул. Стекло сначала сопротивляется внешним усилиям, а потом почти сразу разрушается. Механизмы разные, а понятие одно. Точнее, у механиков будет много разных прочностей, в зависимости от того, с каким материалом мы имеем дело, и что мы пытаемся с ним делать.

Твёрдость - это одна очень специальная характеристика прочности, которая характеризует, может ли один материал поцарапать другой. Это было, например, полезным способом для геологов быстро идентифицировать некоторые минералы. В стандартной шкале твёрдости, алмаз находится выше всех остальных минералов (это совсем не означает, что материалов твёрже алмаза не бывает, наоборот, просто они не являются минералами). Но не забывайте о том, что если алмаз уронить, он запросто может разбиться, как стекло. Т.е. можно быть твёрдым, но в каких-то других смыслах - непрочным. Зачастую, твёрдые материалы имеют бОльшую жёсткость, но обобщать тут точно нельзя. Дело в том, что даже по меркам расплывчатого понятия "прочность", "твёрдость" является совсем расплывчатой. Это создаёт возможности для бесконечных исследований, которые никуда, в плане обобщённого понимания явления, не ведут. Способность к царапанью зависит от такого количества внешних факторов, что я знаю не одного механика, которые считают, что изучение твёрдости - это дорога в никуда. Но таких механиков, которые продолжают изучать твёрдость всё равно намного больше.
penguinny
Mar. 10th, 2013 10:38 am (UTC)
Мне кажется, отсюда должно быть видно, что у вашего вопроса очень много неопределённости. Что такое "прочность линейки"? можно говорить о прочности на изгиб, а можно - на разрыв. Руками разорвать линейку вы не сможете, а погнуть - запросто. Поцарапать, если у вас в кармане завалялся алмаз, должно быть тоже очень просто. Получается, что свойства исходного материала - это только один аспект прочности. Большое значение влияет и выбранная конструкция. В каждом случае приходится выбирать некий компромисс. Для телефона, например, стараются сделать корпус жёстким, чтобы людям не казалось, что крышка "гуляет" и телефон "некачественный". Проще всего достичь этого сделав корпус потолще. Но нужно принимать во внимание ещё размеры и вес. Получается, что нужный материал должен быть лёгким и жёстким. Очень многие лёгкие и жёсткие материалы являются ещё и хрупкими, поэтому нужно добавить, что мы хотим что-то лёгкое, жёсткое, но не такое, которое расколется на части если уронить на пол. Нам нужен металл. Титан, как материал, в 5 раз прочнее другого лёгкого металла, алюминия. По прочности, титан приближается к стали, но сталь почти в два раза тяжелее. Вот мы и сделали выбор.

Вы упомянули пластмассы. Про пластмассы всё очень просто, в каком-то смысле. Ранние пластмассы были не самыми хорошими материалами, т.к. химики не сразу научились точно контролировать их свойства. Сейчас контроль улучшился, так что химики могут делать пластмассы, которые неплохо выдерживают компромисс между жёсткостью и достигнутой прочностью. На дурную репутацию пластмасс повлияло ещё то, что они стареют, что гораздо менее заметно с более традиционными материалами. Но это обсуждение нас затянет уже совсем не туда.
overscience_mes
Mar. 11th, 2013 04:45 am (UTC)
да, конечно, я отдавала себе отчет в неоднозначности вопроса, ибо, я попыталась на него ответить, и поняла, что компонентов много
спасибо, за вариант подхода к проблеме
duchifat
Mar. 10th, 2013 12:55 pm (UTC)
Прочность - это такая немного расплывчатая характеристика того, в какой именно момент наши исследования жёсткости переходят ту границу, где материал уже не сможет вернуться в исходное состояние.

По-моему, Вы путаете предел пропорциональности (при превышении которого деформация неупруга, т.е. необратима) и предел прочности (соответствующий разрушению материала).

Дело в том, что даже по меркам расплывчатого понятия "прочность", "твёрдость" является совсем расплывчатой.

Твердость (indentation hardness) вполне себе четко определяемое свойство (обычно по Берковичу), количественно измеримое (в единицах давления), также и теоретически привязанное к другим свойствам материала (например, по Табору H=3.3Y, где Y - yield strength). Nanoindentation test - стандартный тест.

если алмаз уронить, он запросто может разбиться, как стекло

Извините, но напомнило вот эту пословицу.
penguinny
Mar. 10th, 2013 01:25 pm (UTC)
Как только мы с вами договоримся, что считать "разрушением материала", так сразу разговор и пойдёт лучше. Применительно к телефону, если у крышки мы донажимаемся до пластических деформаций, человек будет, мне кажется, недоволен. И проводить линии по пластически деформированной линейке будет неудобно. То, что я упрощённо отталкиваюсь от yield stress - не самый безумный способ думать о порче предмета, если это понятие вообще применимо к данному материалу.

Чисто терминологически, "неупругие деформации" - не синоним, вообще говоря, "необратимых деформаций". Предел пропорциональности - чисто инженерная концепция, связанная с применимостью линейного закона упругости. Между тем, линейность я нигде не упоминал, имея в виду, что упругость, вообще говоря, бывает и нелинейной. Мы не будем обсуждать резину, правда? Кстати, и пример с линейкой очевидно нелинеен.

По второму поводу, начните прямо с википедии. Вас особенно заинтересует вот эта статья: http://en.wikipedia.org/wiki/Indentation_hardness , особенно предложение в ней, которое сообщает что "There is, in general, no simple relationship between the results of different hardness tests". Вот именно это я и хотел подчеркнуть. Мерять можно что угодно и в чём угодно, но наивно думать, что при этом измеряется какая-то хорошо понятная хар-ка материала.

Про алмазный хуй сказать мне, увы, нечего.

Edited at 2013-03-10 02:48 pm (UTC)
overscience_mes
Mar. 11th, 2013 04:46 am (UTC)
вот видишь, сначала ты меня послал в википедию, а дело кончилось тем, что тебя самого туда послали :)))
(no subject) - duchifat - Mar. 11th, 2013 05:29 am (UTC) - Expand
(no subject) - penguinny - Mar. 11th, 2013 07:12 am (UTC) - Expand
(no subject) - penguinny - Mar. 11th, 2013 07:54 am (UTC) - Expand
(no subject) - penguinny - Mar. 11th, 2013 07:10 am (UTC) - Expand
(no subject) - duchifat - Mar. 11th, 2013 05:28 pm (UTC) - Expand
(no subject) - overscience_mes - Mar. 11th, 2013 05:34 pm (UTC) - Expand
(no subject) - penguinny - Mar. 11th, 2013 05:43 pm (UTC) - Expand
tankozavr
Mar. 10th, 2013 04:58 pm (UTC)
да, попкорн пригодился)
а вообще хорошее обобщение и примеры для педагогических экскурсов! спасибо!
overscience_mes
Mar. 11th, 2013 04:31 am (UTC)
мне тоже понравилось :)
termometr
Mar. 11th, 2013 10:46 am (UTC)
Прочность - способность тела сопротивляться деформации. Деформация вызывается напряжениями, появляющимися в теле после приложения к нему различных сил. Далее можно классифицировать характеристики прочности (твердость, жесткость, устойчивость...) по характеру возникающих напряжений и характеру приложенных сил (статическая, динамическая и циклическая нагрузка).

как-то так.
roman_kr
Mar. 13th, 2013 10:37 pm (UTC)
ну я в дальнем ряду терпеливо жду слова "дислокация".
А так с проблемой связан интересный опыт - если презрватив быстро потянуть, он начинает светиться изнутри. Вспышками,
termometr
Mar. 22nd, 2013 03:05 pm (UTC)
тут многие ударились комментировать прочность вещества, а не конструкции. а прочным-то должен быть телефон, а не материал из которого он изготовлен.
(no subject) - overscience_mes - Mar. 22nd, 2013 03:07 pm (UTC) - Expand
( 73 comments — Leave a comment )

Latest Month

May 2017
S M T W T F S
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
28293031   
Powered by LiveJournal.com
Designed by Ideacodes