thumb|300px| Jednokristalni oblik čvrste supstance insulina. Čvrsto ili kruto stanje je jedno od četiri osnovna stanja materije (ostale su tečnost, plin i plazma). Molekule u krutini su usko spakovane i sadrže najmanje kinetičke energije. Čvrst materijal karakterizira strukturna krutost i otpornost na silu, koja djeluje na površini. Za razliku od tečnosti, čvrsti predmet ne predstavlja oblik koji ima svoj sadržaj, niti se širi ispunjavavajuči čitav raspoloživi volumen poput plina.
Pregled Čvrsta tvar predstavlja jedno od tri agregatna stanja tvari, kada je tvar u čvrstom agregatnom stanju, a prepoznatljivo je po svojstvima opiranja promjenama oblika i zapremine. Najviši oblik organizacije tvari zastupljen je u čvrstom agregatnom stanju. Mnoge tvari u prirodi se nalaze upravo u ovakvom obliku organizacije. Uređenost strukturnih jedinica (atomi, molekule, ioni) u čvrstoj supstanci je znatno veća nego u tečnostima. Promjena položaja strukturnih jedinica nije moguća i one miruju, ako se zanemare oscilacije ovih strukturnih jedinica oko ravnotežnog položaja. Zbog toga čvrste supstance imaju svoj vlastiti volumen i vlastiti oblik. Ukoliko su strukturne jedinice u čvrstoj supstanci pravilno raspoređene u bilo kojem dijelu ili pravcu u supstanci, onda su te supstance kristali.Ukoliko je razmještaj strukturnih jedinica promjenjiv i različit u različitim dijelovima supstance, onda su to amorfne supstance. Amorfno stanje je slično tečnom agregatnom stanju i izgleda kao nagla zaleđenost strukturnih jedinica u tečnom stanju i sva neuređenost, karakteristična za tečnosti, ostala je fiksirana. Zbog toga se amorfno stanje može i zove pothlađena tečnost. Podizanjem temperature, neuređenost se postepeno povećava, približava tečnom stanju i to se manifestira kao omekšavanje. Zbog toga amorfne supstance nemaju fiksnu temperaturu topljenja, nego temperaturni interval omekšavanja. Staklo je najuobičajeni oblik amorfnog stanja.
Makroskopski opis Atomi u čvrstoj potpornoj međusobnoj vezi, su u pravilnoj geometrijskoj rešetki ( kristalne čvrste materije, koje uključuju metale i obične ledove]]), ili nepravilno ( amorfne krutine, poput uobičajenog prozorskog stakla). Čvrste tvari se ne mogu komprimirati malim pritiskom, dok se plinovi komprimiraju i malim, jer su molekule u plinu labavo upakirane.
Oblast fizike koja se bavi čvrstim tvarima naziva se fizika čvrstog stanja i glavna je grana fizike kondenzirane materije (koja također uključuje i tekućine). Nauka o materijalima prvenstveno se bavi fizičkim i hemijskim svojstvima čvrstih supstanci. Hemija čvrstih stanja posebno se bavi sintezom novih materijala, kao i nauka o identifikaciji i hemijskog sastava.
thumb|Model usko zbijenih atoma unutar čvrste kristalne supstance. Atomi, molekuli ili ioni koji čine čvrste materije mogu biti poredani u redoslijedu koji se ponavlja ili nepravilno. Materijali čiji su sastojci raspoređeni u pravilnom uzorku poznati su pod nazivom kristali. U nekim slučajevima, redovno poredak može se nastaviti neprekinuto u velikim razmjerima, a primjer su dijamanti, gdje je svaki monokristal. Čvrsti predmeti koji su dovoljno veliki da se vide i njima se rukuje, rijetko se sastoje od jednog kristala, već su umjesto toga izrađeni od velikog broja monokristala, poznatih kao kristaliti, čija veličina može varirati od nekoliko nanometara do nekoliko metara . Takvi materijali nazivaju se polikristalna linija. Gotovo svi uobičajeni metali, a i mnogi keramički, su polikristalni.
U ostalim materijalima ne postoji dugoročni raspored u položaju atoma. Te čvrste materije su poznate kao amorfne čvrste materije ; primjeri uključuju polistiren i staklo.
Da li je čvrsta supstanca kristalna ili amorfna, ovisi o uključenom materijalu i uvjetima u kojima je nastala. Čvrste tvari koje nastaju polaganim hlađenjem obično će biti kristalne, dok će one koje se brzo smrznu vjerovatnije biti amorfne. Isto tako, specifična kristalna struktura, koju usvoji kristalna čvrsta supstanca, ovisi o uključenom materijalu i o tome kako je nastala.
Iako su mnogi uobičajeni predmeti, poput kockice leda ili novčića, hemijski identični, mnogi drugi uobičajeni materijali sadrže brojne različite supstance spakovane zajedno. Naprimjer, tipska stijena je agregat nekoliko različitih minerala i mineraloid, bez specifičnog hemijskog sastava. Drvo je prirodni organski materijal, koji se sastoji uglavnom od celuloznih vlakana ugrađenih u matricu organskog lignina. U nauci o materijalima, kompoziti više od jednog sastavnog materijala mogu se dizajnirati tako da ima željena svojstva.
Klase čvrstih tvari Sile između atoma u čvrstom tijelu mogu imati različite oblike. Naprimjer, kristal natrij-hlorida (uobičajena sol) sastoji se od iona leda natrija i hlor, koji se zajedno drže ionskom vezom. U dijamantu ili silicijum, atomi dijele elektrone i formiraju kovalentne veze, U metalima elektroni dijele metalno vezanje. Neke čvrste materije, posebno većina organskih spojeva, drže se zajedno van der Waalsovom silom rezultatirajući polarizacije elektronskog oblaka naboja na svakoj molekuli. Razlike između vrsta čvrstog materijala proizlaze iz razlika između njihovog vezanja.
Metali
thumb | right | Vrh njujorške zgrade Chrysler Building, najviše od cigli na svijetu sa čeličnim nosačem, presvučen je nehrđajućim čelikom.
Metali su obično jaki, gusti i dobri provodnici sa električnom energijom i toplotom.
Glavninu elemenata u periodnom sistemu, onima lijevo od dijagonalne linije povučene od borta do polonija, čine metali. Mješavine dva ili više elemenata u kojima je glavni sastojak metal, poznate su pod nazivom legura.
Ljudi su koristili metale u razne svrhe još od prapovijesti. čvrstoća i pouzdanost metala doveli su do njihove široke upotrebe u gradnji zgrada i drugih objekata, kao i u većini vozila, mnogih uređaja i alata, cijevi , putokaza i željezničkih pruga. Gvožđe i aluminij su dva najčešće korištena strukturna metala. Oni su ujedno i najzastupljeniji metali u Zemljinoj kori. Gvožđe se najčešće koristi u obliku legure, čelika koji sadrži do 2,1% ugljika, što ga čini mnogo tvrđim od čistog gvožđaa.
Budući da su metali dobri provodnici električne energije, dragocjeni su u električnim uređajima i za prenošenje električne struje na velike udaljenosti, s malim gubicima ili rasipanjem energije. Stoga se, za distribuciju električne energije, električne mreže oslanjaju na metalne kablove. Kućni električni sistemi su, naprimjer, ožičeni bakrom zbog dobrih provodnih svojstava i jednostavne obradivosti. Visoka toplotna provodljivost većine metala čini ih korisnim i za posuđe za kuhanje na šporetima
Proučavanje metalnih elemenata i njihovih legura čini značajan dio polja hemije čvrstog stanja, fizike, nauke o materijalima i inženjerstva.
Metalne čvrste supstance drže zajedno gustoća zajedničkih, delokalizovanih elektrona, poznatih kao "mwtalno vezanje". U metalu, atomi lahko izgube svoje najudaljenije ("valencija") elektrone, stvarajući pozitivne ione. Slobodni elektroni se šire po čitavoj čvrstoj materiji, koja se čvrsto drži zajedno, elektrostatskim interakcijama između iona i elektronskog oblaka. Veliki broj slobodnih elektrona daje metalima njihove visoke vrijednosti električne i toplotne provodljivosti. Slobodni elektroni takođe sprečavaju prijenos vidljive svetlosti, čineći metale neprozirnim, blistavim i sjajnim.
Napredniji modeli svojstava metala razmatraju učinak jezgara pozitivnih iona na delokalizirane elektrone. Kako većina metala ima kristalnu strukturu, ti ioni obično su raspoređeni u periodičnu rešetku. Matematički, potencijal ionskih jezgara može se tretirati različitim modelima, a najjednostavniji je model gotovo slobodnih elektrona.
Minerali thumb|260px|Zbirka različitih minerala
Minerali su čvrste supstance prirodnog porijekla, nastale u različitim geološkim procesima pod visokim pritiskom. Da bi se tvar mogla klasificirati kao pravi mineral, treba imati kristalnu strukturu, s jednakim fizičkim svojstvima. Sastav minerala varira od čistih elemenata i jednostavnih soli do vrlo složenih silikata, sa hiljadama poznatih oblika. Suprotno tome, uzorak stijena slučajni je agregat minerala i / ili mineraloida i nema specifičan hemijski sastav. Velika većina stijena Zemljine kore sastoji se od kvarca (kristalni SiO2), glinenca, tinjca, hlorit, kaolin, kalcita , epidot, olivin, augit, škriljaca, magnetita, hematita, limonita i nekoliko drugih minerala. Neki minerali, poput kvarca liskuna ili glinenaca su uobičajeni, dok su drugi pronađeni na samo nekoliko lokacija širom svijeta. Daleko najveća grupa minerala su silikati (većina stijena su ≥95% silikatne), koji se uglavnom sastoje od silicija i kisika, uz dodatak iona aluminija, magnezija, gvožđa, kalcija i drugih metala.
Keramika thumb|Dijelovi keramičkih ležaja Si3N4
Keramičke čvrste supstance sastoje se od anorganskih spojeva, obično oksida hemijskih elemenata. Hemijski su inertni i često su sposobni izdržati hemijsku eroziju koja se javlja u kiselom ili kaustičnom okruženju. Keramika uglavnom može podnijeti visoke temperature, u rasponu od 1000 do 1600 °C (1800 do 3000 °F). Izuzeci uključuju neoksidne anorganske materijale, kao što su nitridi, boridi i karbidi.
Tradicijske keramičke sirovine uključuju minerale gline kao što je kaolinit, novije materije uključuju aluminij-oksid (glinica). Moderni keramički materijali, koji su klasificirani kao napredna keramika, uključuju silicij-karbid i volfram-karbid. Oba su cijenjeni zbog otpornosti na habanje i stoga pronalaze upotrebu u takvoj primjeni kao što su habajuće ploče oprema za drobljenje u rudarskim operacijama.
Većina keramičkih materijala, poput glinice i njenih spojeva, su oblikovani od finih prahova, čime se dobiva fino zrnasta polikristalna mikrostruktura, ispunjena centrima rasipanja svjetlosti, uporedivim sa talasnom dužinom vidljive svjetlosti. Dakle, to su uglavnom neprozirni materijali, za razliku od prozirnih. Međutim, nedavna tehnologija nanorazmjera (npr. sol-gel) omogućila je proizvodnju polikristalnih prozirnih keramika, poput prozirne glinice i spojeva glinice za takvu primjenu kao što su laseri velike snage. Napredna keramika se također koristi i u medicini, električnoj i elektroničkoj industriji.
Keramičko inženjerstvo je nauka i tehnologija stvaranja čvrstih keramičkih materijala, dijelova i uređaja. To se postiže dejstvom toplote ili, pri nižim temperaturama, upotrebom reakcije taloženja iz hemijskih rastvora. Pojam uključuje pročišćavanje sirovina, proučavanje i proizvodnju dotičnih hemijskih spojeva, njihovo formiranje u komponente i proučavanje njihove strukture, sastava i svojstava.
Mehanički gledano, keramički materijali su lomljivi, tvrdi, jaki na kompresiju i slabi na smicanje i zatezanje. Krhki materijali mogu pokazivati značajnu vlačnu čvrstoću podržavajući statičko opterećenje. Žilavost pokazuje koliko energije materijal može apsorbirati prije mehaničkog otkaza, dok žilavost loma (označava se sa KIc) opisuje sposobnost materijala sa svojstvenim mikrostrukturnim nedostacima da se odupre pucanju rastom i širenjem pukotina. Ako materijal ima veliku vrijednost žilavosti loma, osnovni principi mehanike loma sugeriraju da će najvjerovatnije doživjeti duktilni lom. Krhki lom je vrlo karakterističan za većinu keramičkog i staklokeramičkog materijala, koji obično pokazuju niske (i nedosljedne) vrijednosti KIc.
Kao primjer primjene keramike, koristi se ekstremna tvrdoća cirkonij u proizvodnji noževih oštrica, kao i ostalih industrijskih alata za rezanje. Keramika poput glinice, bor-karbida i silicij-karbida korišćena je u pancirima za odbijanje vatre pušaka velikog kalibra. Dijelovi silicij-nitrida koriste se u keramičkim kugličnim ležajevima, gdje ih velika tvrdoća čini otpornim na habanje. Općenito, keramika je također kemijski otporna i može se koristiti u mokrim okruženjima gdje bi čelični ležajevi bili osjetljivi na oksidaciju (ili hrđu).