Механічні властивості

Твердість – ступінь опору твердого тіла якій-небудь зовнішній механічній дії: тиску, дряпанню, шліфуванню, свердленню і так далі.

У практиці геологів і гірників твердість частіше визначають методом дряпання, який полягає в тому, що твердіший мінерал залишає подряпину на м'якшому. При цьому користуються шкалою, запропонованою ще на початку XIX століття австрійським мінералогом Фрідріхом Моосом, до якої входять десять еталонних мінералів:

1- тальк (м'який олівець);

2- гіпс або кухонна сіль (ніготь);

3 - кальцит (мідна монета);

4 - флюорит;

5 - апатит (шибка);

6 - польовий шпат (лезо сталевого ножа);

7- кварц (напилок);

8- топаз або берил;

9 - корунд;

10 - алмаз.

Примітка. У дужках вказані побутові предмети – аналоги із відповідною твердістю.

Іноді у машинобудуванні якість термічної і хіміко-термічної обробки деталей визначають дряпанням сталевим напилком (твердість 7).

Для точнішого визначення твердості існують спеціальні прилади – твердоміри. Найчастіше твердість визначається методом втискування кульки або піраміди у випробовуваний зразок (рис. 16.

а б

Рис. 16. Розетки твердості кристалів: а – NaCl, б – PBS

Для різних кристалів з однаковим типом структури твердість зростає із збільшенням валентності катіонів. Росте твердість і з підвищенням координаційного числа (рис. 17). Чим менший іонний радіус катіонів, тим вища твердість.

Рис. 17. Плоскі сітки в структурі алмазу

Спайність – здатність кристалів розколюватися за певними площинами, відповідних плоских сітках кристалів.

Спайність розрізняють за напрямом досконалості:

· якщо спайність виявляється в одному напрямі, то отримуємо пінакоїдальний характер спайності (слюда розщеплюється на тонкі пластинки);

· якщо спайність виявляється в двох напрямах, то говорять про її призматичний характер;

· в трьох напрямах – отримують спайність по кубу і так далі.

За ступенем досконалості виділяють декілька типів спайності. На практиці спайність спостерігають у зламах. Якщо, направивши на злам світло, спостерігають віддзеркалення від ряду плоскопаралельних площин - сходинок, то говорять про гарну спайність. Якщо ж на зламі немає або майже немає ділянок, що відображають світло паралельно, це свідчить про недосконалу спайність.

Спайність і ступінь її досконалості визначаються внутрішньою будовою кристалів.

Пружність і пластичність. Під дією зовнішніх сил тверді тіла деформуються і руйнуються. Розрізняють пружну і пластичну деформацію.

Пластичність – властивість твердих тіл під дією невеликих зовнішніх навантажень атоми трохи зміщуються із положень рівноваги, збільшуючи міжатомні відстані пропорційно прикладеним силам. Після зняття навантаження атоми повертаються в початкові положення, і тіло знову приймає первинний вигляд, а деформація була оборотною.

Пружність – властивість твердих тіл повертатися до початкової форми після зняття навантаження. Отже, якщо до твердого тіла прикласти поступово зростаюче навантаження, то в ньому виникає пропорційна їй пружна деформація.

Бруски, вирізані за різними напрямами, під дією одних і тих же зусиль деформуватимуться неоднаково. Це означає, що модулі пружності анізотропні, тобто залежать від напряму. Модуль пружності відображає характер міжатомної взаємодії уздовж даного напряму.

При зростанні зовнішніх зусиль починається пластичний перебіг кристала. Після зняття навантаження первинна форма кристала вже не відновлюється, виникає залишкова деформація. Напруга, при якій починається помітний перебіг кристала, називається межею текучості. Подальше підвищення зовнішніх зусиль до межі міцності приводить до руйнування кристала.

Ще в XIX сторіччі було виявлено, що на поверхні заздалегідь полірованих монокристалів під дією зовнішнього навантаження з’являються сходинки. Основний механізм пластичної деформації – руйнівне переміщення однієї частини кристала відносно іншої, здійснюване ковзанням або двійникуванням.

На рис. 18 показана схема виникнення і розвитку пластичної деформації ковзанням під дією зрушуючої сили F. Поки напруга, що діє, не досягла межі пружності, спостерігається оборотна пружна деформація. При перевищенні межі пружності і досягненні певної величини – критичної накопичуючої напруги – відбувається зрушення однієї частини кристала відносно іншої по площині ковзання, паралельній одній із плоских сіток грат. Після зняття зовнішніх зусиль пружне спотворення граток зникає, але в кристалі залишаються сліди необоротного зрушення – сходинки.

Рис.18. Виникнення і розвиток пластичної

деформації при зрушенні

При механічному двійникуванні також відбувається переміщення шарів кристала. В результаті дві частини кристала опиняються в положенні, дзеркально симетричному щодо площини двійникування, або повернені навколо осі другого порядку.

На рис.19 показане послідовне утворення двійника в кристалі кальциту під дією леза ножа і розташування атомів щодо площини двійникування АВ.

Двійникування являє послідовний зсув атомних площин одна відносно іншої на одну і ту ж відстань, що не перевищує параметра граток. Процес двійникування розвивається швидко і супроводжується характерним звуком-потріскуванням. Деформація двійникуванням зазвичай відбувається тоді, коли ковзання погіршується, наприклад, при низьких температурах.

Рис.19. Утворення двійника і розташування атомів щодо площини

двійникування

Величина залишкової деформації перед руйнуванням кристала залежить від природи сил міжатомної взаємодії: дуже невелика для атомних кристалів і значніша для металів.