?

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

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 :)))
duchifat
Mar. 11th, 2013 05:29 am (UTC)
В смысле? Я не в качестве оскорбления послал. И он все более-менее грамотно излагает (ну, алмазы разбивающиеся при падении - это не знаю).
penguinny
Mar. 11th, 2013 07:12 am (UTC)
Про алмазы вынесено, по-моему, из детской энциклопедии - ну не могли же они врать? даже если и врали, то врали красиво!
penguinny
Mar. 11th, 2013 07:54 am (UTC)
ОК, я навёл справки, видимо, придётся всё же бить молотком.

Хотя, если уронить алмазный член в натуральную величину на каменный пол...
penguinny
Mar. 11th, 2013 07:10 am (UTC)
Вот, кстати, сам не знаю, зачем меня понесло больной вопрос индустрии обсуждать; вроде, старался для детей, а вышло, как водится, о своём, личном.
duchifat
Mar. 11th, 2013 05:28 pm (UTC)
У overscience_mes дите два метра ростом и учится в университете. :)
overscience_mes
Mar. 11th, 2013 05:34 pm (UTC)
1.80 i v college :)
penguinny
Mar. 11th, 2013 05:43 pm (UTC)
Т.е., получается, задача была поставлена некорректно?

Latest Month

September 2017
S M T W T F S
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930

Page Summary

Powered by LiveJournal.com
Designed by Ideacodes