لماذا لا يتأثر معامل الشباب تقريبًا بالعوامل الثلاثة: تكوين المادة ، والبنية المجهرية ، وحالة المعالجة؟

لمعرفة معامل يونغ جيدًا والإجابة على هذا السؤال في شريط العنوان ، نحتاج إلى التفكير في كيفية حصول المواد على المرونة.

بالنسبة للمواد المعدنية ، نعلم أن الجزء الداخلي منها يتكون من ذرات ، ويتم ترتيب العديد من الذرات بانتظام لتشكيل بلورات ، ويتم دمج العديد من الحبيبات معًا لتشكيل المعدن الذي نراه عادةً.

هل تأتي المرونة من التفاعل بين الحبوب؟ من الواضح أن كلا من البلورة المفردة وغير المتبلورة تتمتع بمرونة.

وبالتالي ، من المحتمل أن تأتي المرونة من التفاعل بين الذرات.

من أجل أن نكون بسيطًا ومريحًا قدر الإمكان ، نحاول عدم إدخال مفاهيم معقدة أو صيغ رياضية. لنبدأ بـ أبسط نموذج ثنائي الذرة.

نموذج ثنائي الذرة لمعامل يونغ

نموذج ثنائي الذرة: يمكن وصف التفاعل بين ذرتين بالوظيفة المحتملة (الخط الأحمر). المحور الأفقي هو المسافة "r" بين ذرتين ، والمحور الرأسي هو الطاقة الكامنة U (r) ؛ يمكن الحصول على قوة التفاعل (الخط الأخضر) من خلال اشتقاق الوظيفة المحتملة. وتجدر الإشارة إلى أن هناك موضع توازن r0r_ {0} بين الذرتين ، حيث تكون قوة التفاعل F = 0 والطاقة الكامنة هي الأدنى ؛ بمعنى آخر ، عندما تترك هذا الوضع ، لا يهم اليسار أو اليمين ، ستكون هناك قوة تحاول سحبها للخلف.

مثل الزنبرك ، يوجد مثل هذا الوضع المتوازن في الحالة الطبيعية. بغض النظر عما إذا كنت تقوم بالضغط على الزنبرك أو شده ، والذي لا يزال يرتد إلى الوضع الأصلي بعد تحرير يدك.

هذا هو مصدر المرونة من المستوى الذري!

بالطبع ، تحتوي المعادن الفعلية أو المواد الأخرى على العديد من الذرات بداخلها. يمكن فهم هذه التفاعلات الذرية ببساطة على أنها تراكب زوج من التفاعلات الذرية.

تحليل العلاقة بين معامل يونج والمعلمات الأخرى

بشكل عام ، يمكننا ببساطة افتراض أن هذه الوظيفة المحتملة لها الشكل التالي:

تحتوي الوظيفة المذكورة أعلاه على أربعة معلمات متغيرة ، وهي موضع التوازن R0R_{0}، الطاقة الكامنة U0U_{0}، والمعلمات N و M. قد تختلف المعلمات أعلاه باختلاف أنواع الذرات.

الآن نأخذ هاتين الذرتين كنظام مستقل ونمدهما أو نضغطهما.

من أجل تغيير المسافة بين ذرتين بالقرب من موضع التوازن ، يجب تطبيق القوة F

للتوافق مع معامل يونج ، نحتاج إلى تغييره إلى صيغة σ = E ε ، ونقسمه على واحد r02r على كلا الجانبين_ {0} ^ {2} واستبدال الصيغة أعلاه والتظاهر بالعمل:

استنتاج

وهذا يعني أن معامل يونغ E يتأثر بشكل أساسي بـ N ، m ، u0u_ {0} 、 r0r_ {0}. يمكن أن تؤثر الأنواع الذرية ودرجة الحرارة على هذه المعلمات. إن تأثير الأنواع الذرية المختلفة واضح ، وستتغير جميع المعايير. يبدو تأثير درجة الحرارة أقل وضوحًا.

لملاحظة تأثير درجة الحرارة ، علينا العودة إلى منحنى الوظيفة المحتملة نفسه. نظرًا لأن الوظيفة المحتملة ليست منحنى متماثلًا مثاليًا ، فعند ارتفاع درجة الحرارة ، فهذا يعني أن الذرة تتحرك بقوة أكبر ويصبح نطاق الحركة أكبر ، مثل التمدد الحراري والانكماش البارد. في هذا الوقت ، سيتم تعويض موضع الرصيد r0r_ {0} ، كما هو موضح بالخط الأخضر في الشكل التالي.

يمكن إثبات أن الذرات تتحرك دائمًا. عندما تكون درجة الحرارة عالية ، فإن موضع التوازن r0r_ وكلما زاد حجم {0} ، يزداد حجم المادة ويقل معامل الصغار.

بالعودة إلى سؤالنا الأولي ، يمكن أن يمثل عدد ذرات الحديد في درجات مختلفة من الفولاذ أكثر من 90%. حتى بالمقارنة مع الحديد النقي ، فإن قوة التفاعل بين الذرات لا تتغير بشكل كبير ، لذلك فإن معامل الشباب لا يتأثر بتغير تكوين السبيكة ؛ وبالمثل ، بغض النظر عن تغيرات البنية المجهرية أو تصلب العمل ، فإن إعادة ترتيب الذرات لا يغير القوة بين الذرات ، لذا فهي لا تؤثر على معامل الشباب.

بالإضافة إلى معامل يونغ ، يمكن أيضًا اشتقاق الكميات الفيزيائية مثل نقطة الانصهار ومعامل التمدد الحراري وقوة الشد للبلورة المثالية من هذا النموذج.

أما بالنسبة للظاهرة الشاذة المتمثلة في زيادة معامل الشباب للمطاط في حالة المرونة العالية مع زيادة درجة الحرارة ، فذلك لأن مصدر مرونة المطاط يختلف عن مصدر مرونة المواد التقليدية.