Дальнейшие исследования микроструктуры веществ показали, что энергия ( связи) кристаллической решетки, их теоретическая прочность взаимосвязаны с поверхностной энергией.
Содержание статьи:
◊ Свойства дорожных материалов
◊ Основные свойства дорожно-строительных материалов
◊ Эксплуатационные свойства материалов
◊ Взаимосвязь состава свойств и структуры материалов
◊ Основные технологические принципы получения материалов
◊ Оценка качества строительных материалов
Рассматривая взаимодействие структурных элементов (ионов, атомов, молекул), расположенных внутри тела и на его поверхности, следует отметить структурные элементы, находящиеся внутри тела, взаимодействующие с такими же элементами, окружающими их со всех сторон.
А структурные элементы, находящиеся на поверхности, взаимодействуют только с некоторой частью соседних элементов, и часть их энергии остается нескомпенсированной. Следовательно, эти частицы, находящиеся на поверхности, по сравнению с теми, что находятся в объеме, обладают избыточной энергией.
Избыточную (свободную) энергию, отнесенную к единице поверхности, называют удельной поверхностной энергией.
Поверхностную энергию измеряют работой, необходимой для образования поверхностного слоя в изотермических условиях. Эта работа, отнесенная к единице образованной площади, определяет удельную поверхностную энергию.
Для жидкостей как в энергетическом, так и в силовом определении она имеет одинаковую размерность (Дж/м² = Н/м). Числовые значения поверхностного натяжения и поверхностной энергии в этом случае совпадают.
Первую попытку связать механические свойства материалов с их кристаллическим строением сделал Гриффитс.
Допуская что при достижении разрушения вся энергия деформации переходит в поверхностную энергию U двух вновь образовавшихся при разрушении поверхностей, он показал, что ориентировочно теоретическая прочность
σтеор=√(UE/a),
где Е — модуль упругости; U — поверхностная энергия твердого тела; а — межатомное расстояние.
Между теоретической (расчетной) и реальной прочностями наблюдается несоответствие. Это объясняется наличием дефектов в структуре материалов. В настоящее время установлено, что в природе практически не существует материалов с идеальным кристаллическим строением.
В структуре реальных кристаллов в той или иной мере всегда имеются нарушения, дефекты и отклонения от идеально правильного кристаллической решетки даже для малых объектов материала. К наиболее изученным дефектам кристаллической решетки относятся линейные дефекты — дислокации. Кроме микродефектов, в материале имеются и макродефекты: трещины, включения, неоднородности структуры и т. д.
Все эти дефекты оказывают влияние на концентрацию напряжений на острие трещины и являются причиной резкого снижения реальной прочности по сравнению с теоретической,в особенности у хрупких материалов.Концентрация напряжений на кончике трещин теоретически выражается формулой:
К=2√(I/r),
где I- длина трещины, r-радиус ее кончика;Таким образом наличие дефектов в структуре материала их характер(распределение)в объеме, длина, радиус кончика и др.) являются важными характеристиками структуры материала, оказывающей большое влияние на его прочность.
Важное место в материаловедении занимают дисперсные (микрогетерогенные) системы, состоящие из двух или нескольких фаз, одна из которых представлена мелкими частичками (дисперсная фаза), равномерно распределенными в другой
(дисперсной) среде.
В зависимости от размера частиц фазы дисперсные системы разделяются на коллоидные (высокодисперсные:) и грубые дисперсии с более крупными частицами. По характеру связей между дисперсными частицами П. А. Ребиндер предложил выделить три вида структур (вида связи) : коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные (рис. 1).
Рисунок-1. Виды связей в дисперсных микросистемах
а-коагуляционная, б-конденсационная,в-кристализационная
Коагуляционнымu называют такие структуры, в которых связь между частицами осуществляется через прослойки жидкой среды за счет относительно слабых ван-дер-ваальсовских сил межмолекулярного взаимодействия. Материалы с коагуляционной структурой в зависимости от содержания жидкой среды обладают подвижностью, пластичностью, тиксотропностью и относительно невысокой прочностью.
Конденсационными называют структуры, в которых непосредственный контакт между частицами возникает за счет химических, валентных, ионных связей. Для материалов этой структуры характерны высокая прочность, хрупкость и необратимость при механических или термических разрушениях.
Кристализационными называются структуры , в которых контакт между частицами осуществляется путем прямого срастания с образованием пространственной сетки или каркаса с более или менее правильным строением. Механические свойства кристаллизационных структур определяются характером кристаллического строения.
Эти представления являются в известной мере идеализированными, в реальных телах наблюдается их сочетание, например кристаллизационно-конденсационная, коагуляционно-кристаллизационная и др.
Важнейшим критерием качества структуры является пористость. По происхождению различают пористость, · возникшую за счет воздухововлечения в смеси
(10¯³ . . . 10¯⁴ м), капиллярную (10¯⁶ … 10¯⁷ м) и контракционную ( 10¯⁷ м ). Пористость в значительной степени обусловливает механические, изоляционные свойства и долговечность материалов.
Макроструктура. Она рассматривается как двухкомпонентная система, состоящая из относительно крупных зерен
(более 5 мм), объединенных ( сцементированных) растворной частью. В ряде случаев, например, при раздельной технологии бетонов, целесообразно выделить в структуре бетона мезоструктуру, в которой матрицей является вяжущее, а наполнителем -песок (зерна мельче 5 мм).
На физико-механические свойства таких двухкомпонентных систем оказьmают влияние механические свойства, форма, фракционный состав зерен, физико-химические свойства их поверхности, ее адгезионные свойства по отношению к вяжущим. Физико-механические свойства получаемых композиций зависят от свойств связующего.
Преимущественным видом структурных связей в системах на основе минеральных вяжущих являются конденсационно-кристаллизационные, а в случае бетонов на органических вяжущих -коагуляционные и коагуляционно-кристаллизационные структурные связи. В зависимости от содержания зерен различают макроструктуры с базальной (с плавающим заполнителем),контактной и поровой структурой.
В материалах с базальной структурой зерна заполнителя не образуют взаимных контактов, и свойства материалов обусловливаются преимущественно свойствами вяжущего (раствора). При дальнейшем увеличении содержания заполнителя (до 50 … 60 %) образуется поровая структура с максимальной прочностью.
Последующее увеличение количества заполнителя приводит к появлению воздушных пустот между зернами и переходу к контактной структуре. Структура материалов нестабильна. Процессы, протекающие в них, вызываемые как воздействием внешней среды, так и внутренней природой, изменяют структуру материалов, обусловливают в них внутренние напряжения и деформации.
Эти процессы являются, как правило, релаксационными, вследствие чего структура материала всегда находится в неравновесном, внутренне напряженном состоянии. Изменяя в той или иной степени элементы структуры, совершенствуя ее, можно в значительной степени улучшить свойства материала.