Беріктілік проблемаларды шешуде статикалық және кинетикалық көзқарастар
1.2.лекция. Беріктілік проблемаларды шешуде статикалық және кинетикалық көзқарастар.
3.лекция. Тақырыбы: Қатты денелердің жарамдылық мерзімі және беріктілік кинетикалық концепциясының негіздері.
4.7 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімді анықтау тәсілі.
8 . 9 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтау әдістері.
10 . 11 лекция. Тақырыбы: Металл мен қоспалардың жарамдылық мерзімін зерттеу
12 . 13 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімнің жалпы теңдеуі және жылулық қозғалыстың механикалық қираудағы негізгі рөлі.
14.15 . лекция. Тақырыбы: Қатты денелерді қирататын элементар акт процестері жөнінде.
16 . 17 лекция. Тақырыбы: Флуктуациялық . механикалық қирауда жүктелген жүктің рөлі және коэффициентінің физикалық мәні.
18 лекция. Тақырыбы: Жүктелген денелерде атомаралық байланыстың қирауы. Қираудың жинақталу кинетикасы.
19.20 лекция. Тақырыбы: Атомаралық байланыстың қирауын анықтау.
21 лекция. Тақырыбы: Жүктелген полимерлердің қираудағы молекула . химиялық процестер.
22 лекция. Тақырыбы: Атомаралық байланыс қирауының жинақталу кинетикасы
23 лекция. Тақырыбы: Қираудан болған молекулалық заттардың пайда болу процесінің активациялық энергиясы жөнінде.
24 . 27 лекция. Тақырыбы: Қирау процесінің оқшаулануы.
28 лекция. Тақырыбы: Беріктілік кинетикасы концепциясы бағытында жүктелген қатты денелердің қирауындағы кейбір күрделіліктер туралы
29.30 лекция. Тақырыбы: Күрделі кернеуліктенген күй.
3.лекция. Тақырыбы: Қатты денелердің жарамдылық мерзімі және беріктілік кинетикалық концепциясының негіздері.
4.7 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімді анықтау тәсілі.
8 . 9 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтау әдістері.
10 . 11 лекция. Тақырыбы: Металл мен қоспалардың жарамдылық мерзімін зерттеу
12 . 13 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімнің жалпы теңдеуі және жылулық қозғалыстың механикалық қираудағы негізгі рөлі.
14.15 . лекция. Тақырыбы: Қатты денелерді қирататын элементар акт процестері жөнінде.
16 . 17 лекция. Тақырыбы: Флуктуациялық . механикалық қирауда жүктелген жүктің рөлі және коэффициентінің физикалық мәні.
18 лекция. Тақырыбы: Жүктелген денелерде атомаралық байланыстың қирауы. Қираудың жинақталу кинетикасы.
19.20 лекция. Тақырыбы: Атомаралық байланыстың қирауын анықтау.
21 лекция. Тақырыбы: Жүктелген полимерлердің қираудағы молекула . химиялық процестер.
22 лекция. Тақырыбы: Атомаралық байланыс қирауының жинақталу кинетикасы
23 лекция. Тақырыбы: Қираудан болған молекулалық заттардың пайда болу процесінің активациялық энергиясы жөнінде.
24 . 27 лекция. Тақырыбы: Қирау процесінің оқшаулануы.
28 лекция. Тақырыбы: Беріктілік кинетикасы концепциясы бағытында жүктелген қатты денелердің қирауындағы кейбір күрделіліктер туралы
29.30 лекция. Тақырыбы: Күрделі кернеуліктенген күй.
Көп уақытқа дейін қатты денелердің беріктілік физикасының табиғатын олардың критикалық қирау түсінігімен қарастырып келгенін айтып өттік. Осы көзқараспен ақауы жоқ идеал дененің морт қирауын қарастырайық. Бұл денеге жүктелген жүк сол дененің теориялық беріктілігіне жеткенде, ол дене бірденінен атомдарға шашылып кеткен болар еді. Реал жағдайда денелер бірнеше бөлікке ғана бөлінетінін және жүктелген жүк шамасы теориялық беріктілікке жетпей қирайтыны белгілі (Гриффитс теориясы). Бұл теорияның рас екендігін А.Ф.Иоффе өзінің экспериментінде дәлелдеген (NaCl кристалын су ертінді ортасындағы беріктілігі теориялық беріктілікке жақын болғаны байқалған). Бірақ Гриффитс пен Иоффенің теориясы реал беріктілігінің шамасы теориялық беріктілік шамасынан төмен екендігін және денелер қирау барысында 2-3 бөлікке ғана бөлінетінін түсіндіргенімен, жүктелген жүктің әсер етуші уақыт мерзімі сол, жүктелген дененің беріктілік шамасына әсерін тигізуін түсіндіре алмайды. Мысалы, егер үлгі аз уақыт арасында жүктеліп, оның беріктілік шегі сол денеден жасалған үлгіні көп уақыт аралығында жүктелгендегі беріктілік шегіне қарағанда әлдеқайда жоғары екендігі байқалған. Бұл материалдың статикалық шаршауы деп аталады.
Денелердің статикалық шаршауын көптеген зерттеушілер силикат шыныларда, полимерлерде, металдарда, ионды кристалдарда т.б. материалдарда байқаған.
Материал беріктілігіне жүктеу уақытының әсерін, әр түрлі жылдамдықпен жүктегенде немесе деформациялағанда беріктіліктің шегі өзгеруінен, жылжығыштық тәсілі және ұзақ мерзімді беріктілігін анықтау барысында байқауға болады.
Уақыт мерзімінің дене беріктілігіне әсерін дененің критикалық қирау сипаттамасымен біріктіруге болмайды. Шынында да бір жағынан денеге жүктелген жүк белгілі шегіне жеткенде ғана қирайтын болса, екінші жағынан сол дененің беріктілік шегінің денені жүктеу мерзіміне (уақытына) тәуелділігі бір-біріне қайшы. Бұл қайшылыққа көптеген зерттеушілер көңіл аударғанымен, оны түсіндіру барысында статикалық көзқараста қалып қоя берген. Яғни, дене беріктілік проблемаларының шешімі болмаған. Мысалы, шыны материалдары беріктілігінің уақытқа тәуелділігін, Ораван Гриффитстің теориясын қолдана отырып, ауадан ылғалды сору арқасында беттік керілу коэффициентінің төмендеуімен түсіндірген:
мұндағы Е - Юнг модулі, - Пуассон коэффициенті, - сызат ұзындығы, , - беттік керілу ( 1)
Ораван теориясы бойынша, үлгі тез мерзімде жүктелсе, жаңа пайда болған сызат ылғалды сорып алуға үлгермейді, сызатта беттік керілу болмайды, сондықтан да беріктілік жоғары. Ал үлгі көп уақыт мерзімде жүктелген болса, жаңа сызат ылғалды сорып алуға үлгереді, беттік кернеу сына (клин) ретінде әсерін тигізіп беріктілік шамасын төмендетеді.
Маргетройд шыны беріктілігіне жүктеу мерзімінің әсерін, шыны екі фазадан тұруымен байланысты деп түсіндірген. Шыны гетерогенді жүйеден тұрады деп есептеп (квазитұтқырлы және серпінді элементтерден тұрады), уақыт мерзімі өткен сайын тұтқырлы пластиктив микробөлшектерде релаксация өтуі нәтижесінде серпінді элементінде кернеулік өсіп отырады. Бұл процесс серпінді элементіндегі кернеулік материалдың беріктілік шегіне жеткенше өседі де, материал қирайды, яғни материалдың беріктілігіне уақыт мерзімінің әсерін материалдың ішіндегі кернеуліктің таралу процесімен (релаксация) байланыстырылады. Бұл гипотезаны кейбір зерттеушілер, материал беріктілік шамасының уақыт мерзіміне тәуелділігін осы күнге дейін осылай түсіндіреді. Мысалы, поликристалды металдар үшін, әр түрлі физика-химиялық қасиеттері бар материалдарда олардың беріктілігіне уақыт мерзімі әсерін тигізетіндігі Ораванның теориясы орынсыз екендігін дәлелдейді. Мысалы, резина, пластмасса, фарфор, металдар, ионды кристалдар т.б. материалдар зерттелген. Олардың қирауына және беріктілігіне орта әр түрлі әсер ететіндігі бізге белгілі.
Сонымен, материалдың беріктілігі уақыт мерзіміне тәуелділігіне зерттеу жүргізу, ортаға байланысты емес екендігі анықталды. Оған қосымша дәлел, кейінгі кездегі вакуумда және инертті ортада жүргізген зерттеулер беріктіліктің уақыт мерзіміне тәуелділігін көрсетеді.
Денелердің статикалық шаршауын көптеген зерттеушілер силикат шыныларда, полимерлерде, металдарда, ионды кристалдарда т.б. материалдарда байқаған.
Материал беріктілігіне жүктеу уақытының әсерін, әр түрлі жылдамдықпен жүктегенде немесе деформациялағанда беріктіліктің шегі өзгеруінен, жылжығыштық тәсілі және ұзақ мерзімді беріктілігін анықтау барысында байқауға болады.
Уақыт мерзімінің дене беріктілігіне әсерін дененің критикалық қирау сипаттамасымен біріктіруге болмайды. Шынында да бір жағынан денеге жүктелген жүк белгілі шегіне жеткенде ғана қирайтын болса, екінші жағынан сол дененің беріктілік шегінің денені жүктеу мерзіміне (уақытына) тәуелділігі бір-біріне қайшы. Бұл қайшылыққа көптеген зерттеушілер көңіл аударғанымен, оны түсіндіру барысында статикалық көзқараста қалып қоя берген. Яғни, дене беріктілік проблемаларының шешімі болмаған. Мысалы, шыны материалдары беріктілігінің уақытқа тәуелділігін, Ораван Гриффитстің теориясын қолдана отырып, ауадан ылғалды сору арқасында беттік керілу коэффициентінің төмендеуімен түсіндірген:
мұндағы Е - Юнг модулі, - Пуассон коэффициенті, - сызат ұзындығы, , - беттік керілу ( 1)
Ораван теориясы бойынша, үлгі тез мерзімде жүктелсе, жаңа пайда болған сызат ылғалды сорып алуға үлгермейді, сызатта беттік керілу болмайды, сондықтан да беріктілік жоғары. Ал үлгі көп уақыт мерзімде жүктелген болса, жаңа сызат ылғалды сорып алуға үлгереді, беттік кернеу сына (клин) ретінде әсерін тигізіп беріктілік шамасын төмендетеді.
Маргетройд шыны беріктілігіне жүктеу мерзімінің әсерін, шыны екі фазадан тұруымен байланысты деп түсіндірген. Шыны гетерогенді жүйеден тұрады деп есептеп (квазитұтқырлы және серпінді элементтерден тұрады), уақыт мерзімі өткен сайын тұтқырлы пластиктив микробөлшектерде релаксация өтуі нәтижесінде серпінді элементінде кернеулік өсіп отырады. Бұл процесс серпінді элементіндегі кернеулік материалдың беріктілік шегіне жеткенше өседі де, материал қирайды, яғни материалдың беріктілігіне уақыт мерзімінің әсерін материалдың ішіндегі кернеуліктің таралу процесімен (релаксация) байланыстырылады. Бұл гипотезаны кейбір зерттеушілер, материал беріктілік шамасының уақыт мерзіміне тәуелділігін осы күнге дейін осылай түсіндіреді. Мысалы, поликристалды металдар үшін, әр түрлі физика-химиялық қасиеттері бар материалдарда олардың беріктілігіне уақыт мерзімі әсерін тигізетіндігі Ораванның теориясы орынсыз екендігін дәлелдейді. Мысалы, резина, пластмасса, фарфор, металдар, ионды кристалдар т.б. материалдар зерттелген. Олардың қирауына және беріктілігіне орта әр түрлі әсер ететіндігі бізге белгілі.
Сонымен, материалдың беріктілігі уақыт мерзіміне тәуелділігіне зерттеу жүргізу, ортаға байланысты емес екендігі анықталды. Оған қосымша дәлел, кейінгі кездегі вакуумда және инертті ортада жүргізген зерттеулер беріктіліктің уақыт мерзіміне тәуелділігін көрсетеді.
Беріктілік проблемаларды шешуде статикалық және кинетикалық көзқарастар.
Жоспары: 1. Ақауы жоқ идеал дененің морт қирауы.
2.Гриффитс-Иоффе теориясы.
3.Материалдың беріктілігіне зерттеу жүргізу.
4.Қатты денелердің жарамдылық мерзімі.
Лекция мақсаты:
Ораван, Маргетроид және С.Н.Журковтың қатты дененің қирау процесстеріне
ұсынылған теорияларын қарастыру.
Лекция мәтіні (қысқаша)
Көп уақытқа дейін қатты денелердің беріктілік физикасының табиғатын
олардың критикалық қирау түсінігімен қарастырып келгенін айтып өттік. Осы
көзқараспен ақауы жоқ идеал дененің морт қирауын қарастырайық. Бұл денеге
жүктелген жүк сол дененің теориялық беріктілігіне жеткенде, ол дене
бірденінен атомдарға шашылып кеткен болар еді. Реал жағдайда денелер
бірнеше бөлікке ғана бөлінетінін және жүктелген жүк шамасы теориялық
беріктілікке жетпей қирайтыны белгілі (Гриффитс теориясы). Бұл теорияның
рас екендігін А.Ф.Иоффе өзінің экспериментінде дәлелдеген (NaCl кристалын
су ертінді ортасындағы беріктілігі теориялық беріктілікке жақын болғаны
байқалған). Бірақ Гриффитс пен Иоффенің теориясы реал беріктілігінің шамасы
теориялық беріктілік шамасынан төмен екендігін және денелер қирау барысында
2-3 бөлікке ғана бөлінетінін түсіндіргенімен, жүктелген жүктің әсер етуші
уақыт мерзімі сол, жүктелген дененің беріктілік шамасына әсерін тигізуін
түсіндіре алмайды. Мысалы, егер үлгі аз уақыт арасында жүктеліп, оның
беріктілік шегі сол денеден жасалған үлгіні көп уақыт аралығында
жүктелгендегі беріктілік шегіне қарағанда әлдеқайда жоғары екендігі
байқалған. Бұл материалдың статикалық шаршауы деп аталады.
Денелердің статикалық шаршауын көптеген зерттеушілер силикат шыныларда,
полимерлерде, металдарда, ионды кристалдарда т.б. материалдарда байқаған.
Материал беріктілігіне жүктеу уақытының әсерін, әр түрлі жылдамдықпен
жүктегенде немесе деформациялағанда беріктіліктің шегі өзгеруінен,
жылжығыштық тәсілі және ұзақ мерзімді беріктілігін анықтау барысында
байқауға болады.
Уақыт мерзімінің дене беріктілігіне әсерін дененің критикалық қирау
сипаттамасымен біріктіруге болмайды. Шынында да бір жағынан денеге
жүктелген жүк белгілі шегіне жеткенде ғана қирайтын болса, екінші жағынан
сол дененің беріктілік шегінің денені жүктеу мерзіміне (уақытына)
тәуелділігі бір-біріне қайшы. Бұл қайшылыққа көптеген зерттеушілер көңіл
аударғанымен, оны түсіндіру барысында статикалық көзқараста қалып қоя
берген. Яғни, дене беріктілік проблемаларының шешімі болмаған. Мысалы, шыны
материалдары беріктілігінің уақытқа тәуелділігін, Ораван Гриффитстің
теориясын қолдана отырып, ауадан ылғалды сору арқасында беттік керілу
коэффициентінің төмендеуімен түсіндірген:
мұндағы Е - Юнг модулі, ( - Пуассон коэффициенті, ( - сызат ұзындығы, (,( -
беттік керілу (( (1)
Ораван теориясы бойынша, үлгі тез мерзімде жүктелсе, жаңа пайда болған
сызат ылғалды сорып алуға үлгермейді, сызатта беттік керілу болмайды,
сондықтан да беріктілік жоғары. Ал үлгі көп уақыт мерзімде жүктелген болса,
жаңа сызат ылғалды сорып алуға үлгереді, беттік кернеу сына (клин) ретінде
әсерін тигізіп беріктілік шамасын төмендетеді.
Маргетройд шыны беріктілігіне жүктеу мерзімінің әсерін, шыны екі
фазадан тұруымен байланысты деп түсіндірген. Шыны гетерогенді жүйеден
тұрады деп есептеп (квазитұтқырлы және серпінді элементтерден тұрады),
уақыт мерзімі өткен сайын тұтқырлы пластиктив микробөлшектерде релаксация
өтуі нәтижесінде серпінді элементінде кернеулік өсіп отырады. Бұл процесс
серпінді элементіндегі кернеулік материалдың беріктілік шегіне жеткенше
өседі де, материал қирайды, яғни материалдың беріктілігіне уақыт мерзімінің
әсерін материалдың ішіндегі кернеуліктің таралу процесімен (релаксация)
байланыстырылады. Бұл гипотезаны кейбір зерттеушілер, материал беріктілік
шамасының уақыт мерзіміне тәуелділігін осы күнге дейін осылай түсіндіреді.
Мысалы, поликристалды металдар үшін, әр түрлі физика-химиялық қасиеттері
бар материалдарда олардың беріктілігіне уақыт мерзімі әсерін тигізетіндігі
Ораванның теориясы орынсыз екендігін дәлелдейді. Мысалы, резина,
пластмасса, фарфор, металдар, ионды кристалдар т.б. материалдар зерттелген.
Олардың қирауына және беріктілігіне орта әр түрлі әсер ететіндігі бізге
белгілі.
Сонымен, материалдың беріктілігі уақыт мерзіміне тәуелділігіне зерттеу
жүргізу, ортаға байланысты емес екендігі анықталды. Оған қосымша дәлел,
кейінгі кездегі вакуумда және инертті ортада жүргізген зерттеулер
беріктіліктің уақыт мерзіміне тәуелділігін көрсетеді.
Ораван мен Маргетройдтың теориясы әр түрлі болғанымен, екі теория да
әрбір материалдың беріктілік шегі барлығына қарсы емес. Яғни, беріктіліктің
статикалық концепциясы сақталады, материалдың қирауы критикалық түрде өтеді
деп есептеді. Беріктіліктің уақыт мерзіміне тәуелділігін сыртқы қосымша
процестермен байланыстырады. Алдағы қарастырылатын феноменологиялық және
жүктелген денедегі өтетін элементар процестерді зерттеу нәтижесінде дене
беріктілігінің уақыт мерзіміне тәуелділігі сыртқы қосымша процестермен
байланысты болмай, беріктіліктің уақытқа тәуелділігі – тікелей дененің
қирау механизмімен байланысты екендігін дәлелдеді.
Сонымен, беріктіліктің уақытқа тәуелділігі, қатты денелердің қирау
заңдылығы, жалпы физикалық табиғаты бар және сол табиғатпен тікелей
байланыстылығын көрсетеді. Дене беріктілік проблемасына кинетикалық
көзқараспен қарау, дене қирауы уақытқа байланысты дене ішінде қирау процесі
жүріп, олардың жинақталуымен байланыстыру қажет. Олай болса, бұл
процестерді анықтаудың ең оңай жолы – қатты денелердің жарамдылық мерзімін
тұрақты температурада және тұрақты кернеуде анықтау. Яғни, дене жүктелген
уақыттан бастап, сол дененің сол жүктің астында қирау үшін кеткен уақытты
анықтау болып табылады. Материалдың механикалық беріктілігін анықтауда,
кинетикалық қирау концепциясы бойынша материалдың жарамдылық мерзімі –
фундаментальді шама болып есептеледі. Бұл шаманы қирау процесінде орташа
қирау жылдамдығына кері пропорционал деп алуға болады:
(
Әрбір материалдың беріктілік қасиетін және олардың қирау табиғатын
кинетикалық көзқараспен анықтау үшін, ол материалдың жарамдылық мерзімінің
жүктелген кернеулікке және үлгіні сынау температурасына тәуелділігін
анықтау қажет:(( - ?
Бақылау сұрақтары:
1. Беріктілік проблемасына статистикалық көзқарас. Гриффитс-Иоффе
теориясы.
2. Беріктілік проблемасына кинетикалық көзқарас.
3. Ораванның теориясы.
4. Маргетроидтың теориясы.
5. Ораван теориясының дұрыс еместігіне дәлел.
3-лекция. Тақырыбы: Қатты денелердің жарамдылық мерзімі және беріктілік
кинетикалық концепциясының негіздері.
Жоспары:
1. Жүктелген қатты денелердің жарамдылық мерзімін анықтау.
2. Жарамдылық мерзімнің кернеулікке тәуелділігі.
3. Одинг көзқарасы.
Лекция мақсаты Қатты дененің жарамдылық мерзімін анықтауға ұсынылған
зерттеу тәсілі, жарамдылық мерзімнің кернеуге, температураға тәуелділігін
қарастыру.
Лекция мәтіні (қысқаша)
Жүктелген қатты денелердің жарамдылық мерзімін, негізінде, үлгіні бір
бағытта созу арқылы анықтаған. Ол үшін үлгіні пленкадан немесе фольгадан не
болмаса топталған талшықтардан арнайы жасайды. Үлгі полимер пленка тәрізді
болса, металл жұқа фольга тәрізді болса, арнайы пышақ арқылы жасалады:
Топталған талшық болса:
Ал кристалдардан талшық параллелепипед жасалып (арнайы пышақ арқылы)
желімге отырғызылады.
Жасалған үлгілерді былай сынайды: белгілі температурада үлгіні, белгілі
кернеулікпен жүктейді. Үлгі жүктелген кезден бастап, үлгі қирағанға дейінгі
уақытты, яғни жарамдылық мерзімін анықтайды. Әр түрлі температурада және
кернеулікте (80-90) үлгілердің жарамдылық мерзімі анықталады, бірақ бір
үлгі үшін кернеу де, температурада тұрақты болуы қажет.
Арнайы қондырғы, үлгіні созу барысында оның деформациялануына қарамай,
үлгі қирауына дейін жүктелген кернеуді тұрақты етіп ұстайды. Осы
қондырғылардың арқасында жарамдылық мерзім 10 рет аралығында анықталған (10-
3 с – бірнеше ай аралығында).
Жарамдылық мерзімнің температураға, жүктелген кернеулікке тәуелділігі
көптеген материалдар үшін анықталған. Олар: поликристалды металдар –
Санфирова, Бетехтин; әр түрлі монокристалдар – Бақтыбаев; металл емес
қоспалар – Регель, Левин; полимерлер – Журков, Нарзуллаев, Аббасов; металды
қоспалар – Бетехтин, Петров, Бақтыбаев; күрделі компазитты материалдар -
Регель, Бетехтин, Бақтыбаев; цемент тастар, бетондар – Бақтыбаев,
Кадырбеков.
Барлық зерттелген материалдар үшін температура тұрақты болған кезде,
жарамдылық мерзімнің кернеулікке тәуелділігін былай жазуға болады:
( (1)
А, ( - осы материалдың тұрақты шамасы.
Жарамдылық мерзім ортаға байланысты емес екенін дәлелдеу үшін,
зерттеуді вакуумда не болмаса инертті ортада жүргізген. Бұл формуланы
болған кезде қолдануға болмайды, себебі сызықты lg - ( тәуелділік
орындалмайды. Оның себептерін кейін қарастырамыз.
Кейбір зерттеушілер, мысалы, И.А.Одинг және басқалар lg - (
қисығы асимтотикалық ординатаға жетпей, ординатаға параллель оське
жақындайды, (о қауіпсіздік кернеу деп есептеген. Бұл көзқарасты
тексеру өте қиын,
өйткені (о кездегі жарамдылық мерзімі өте үлкен шама. Бұл
көзқарас
теорияға қарсы болмағанымен дискуссиялық көзқарасқа жатады. Сол үшін біз
қазірше тек lg - ( тәуелділіктің тура сызықты жағын қарастырамыз.
Барлық зерттелген материалдарға бұл теңдеудің орындалуы, жарамдылық мерзім
жүктелген денеде өтетін қирау процесінің жинақталуына кетеді деп есептеуге
болады. Бұған дәлел, үлгіні жүктеуді бірнеше рет тоқтатып, қайтадан сол
шамаға жүктеген кездегі қирауға кеткен жарамдылық мерзім, тоқтаусыз үзбей
жүктеген кездегі жарамдылық мерзімге қарағанда аз болғаны дәлел бола алады.
Енді жүктелген денедегі өтетін процестер, сол дененің қирауына алып
келетін болса, сол процестің табиғатын анықтау мақсатында жарамдылық мерзім
шамасына температураның әсерін анықтау қажет. Сонымен, lg - (
тәуелділігін әр түрлі температурада анықталған. Әр температураның lg
- ( тәуелділігі тура сызықты, температура өскен сайын lg - ( қисығы
енкіштігі ұлғайып, температура төмендеген сайын lg - ( сызығы тік
сызыққа жақындайтыны байқалған. Бұны график түрінде былай көрсетуге болады:
Белгілі бір жарамдылық мерзім шамасында барлық lg - (
сызықтар
бір нүктеге қосылатындығы байқалған. Ол жарамдылық мерзім (10-13 с тең.
Сызықтардың қосылатын нүктесін полюс деп атаған. График түрде былай
көрсетуге болады:
Жарамдылық мерзімнің полюстағы шамасы ( ≈ 10-12 ÷ 10-13 с,
lg( -13.
Жарамдылық мерзімнің Т, ( тәуелділігін аналитик түрде былай жазуға болады:
( ( ( (2), ( -
( және - тұрақты шамалар, олардың физикалық мәнін кейін қарастырамыз.
Екінші формуланың экспериментті нәтижелерді тура түсіндіретінін тексеру
үшін, бұл формуланы былай жазуға болады:
( (3)
Бұл формулаға қарағанда барлық тура сызықтар бір сызыққа:
жинақталуы қажет. Дененің қирау табиғатын (2)-формуланы талдау арқылы
анықтауға болады. Бұл формула жарамдылық мерзімнің негізгі теңдеуі болып
есептеледі.
Бақылау сұрақтары:
1. Дене қирау табиғаты кинетикалық көзқараспен өтуін анықтау.
2. Жарамдылық мерзімі және кинетикалық концепциясының негіздері.
3. И.А.Одинг және басқалардың көзқарасы.
4. Жарамдылық мерзімнің механикалық кернеуге тәуелділігі.
5. Жарамдылық мерзімнің температураға тәуелділігі.
4-7 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімді анықтау тәсілі.
Жоспары:
1. Материалдың жарамдылық мерзімін бір бағытта үлгіні тарту арқылы
анықтау.
2. Үлгіні қысқа уақыт аралығында жүктеу тәсілі.
3. Материалдың беріктілігіне ортаның әсер етуі.
Лекция мақсаты: Жарамдылық мерзімді жылжығыштық анықтайтын
тәсілдердің жұмыс атқаруымен таныстыру.
Лекция мәтіні (қысқаша):
Жоғарыда айтылғандай материалдың жарамдылық мерзімін бір бағытта үлгіні
тарту (созу) арқылы анықталады.Ол үшін үлгі біртекті деформацияланып,
көлемі өзгермейтін жағдайда үлгінің көлденең кесімі деформацияның арқасында
былай азаяды:
S = , (
Олай болса, үлгіге әсер етуші кернеу өсуі ( ( (1+()
болады. Үлгіге әсер етуші кернеу тұрақты болу үшін, жүктелген күш
деформация барысында былай кемуі керек:
F(() ( , F = P
( const болу үшін ілінген Р жүктің иығы = шамаға
өзгеріп тұруы керек. R-дің деформация барысында мұндай өзгеруін
Э.Е.Томашевский және А.И.Слуцкер есептеп тапқан рычаг фигурасының профилі,
полярлық координат бойынша былай болу қажет:
(
- үлгінің бастапқы ұзындығы.
Рычагтың (1–сурет) негізгі параметрі сыналатын материалдың
қасиетіне байланысты. Егер материалдың деформациясы көп болмаса, ((((()
радиусты үлгі ұзындығы тең етіп алуға болады. Егер деформация (
(((( болса, ( 2.
Практикада рычагты деформация барысында 270 бұрышқа бұру мүмкін.
Рычагты дайындау дәлдігін асыру мақсатында рычаг өлшемдері үлкен болуы
қажет. Сол себепті аралығында болады.
1-cурет. Жарамдылық мерзімді анықтайтын қондырғының схемасы. 1-үлгі, 2-
блокпен иілгіш, 3-фигуралы рычаг, 4-фигуралы рычагты теңестіретін ауырлық,
5-ішінде сағат механизмі бар барабан, жылу излояцияланбайтын камера.
Бұл қондырғы арқылы жарамдылық мерзімді бірнеше секундтан, бірнеше ай
аралығында анықтауға болады. Жарамдылық мерзімді анықтауда төменгі жағынан
шектеулі қондырғының конструкциясына байланысты, үлгіні жүктеуге кететін
уақыт 2-3 секундты талап етеді. Ал жарамдылық мерзімнің (, Т-ға
тәуелділігін дәл анықтау үшін, жарамдылық мерзімді өлшейтін интервал үлкен
болуы қажет. Бірақ интервалды үлкейту, яғни айдан жылға өту перспективасыз,
себебі өлшеу интервалы бір реттікке ғана өседі. Ал қысқа жарамдылық
мерзімді анықтау, мысалы, с жарамдылық мерзім интервалын 3-4 ретке
кеңітеді. Сонымен қатар, материалдардың соққы (удар) жүктелуінде қирауы
практикада көп кездескен себепті, бұл бағытта қирау барысын зерттеу қажет
болатындығы белгілі.
Сонымен, үлгіні қысқа уақыт аралығында жүктеу тәсілін табу қажет. Ол
үшін кіші интервалды өлшейтін жүйе табу керек. Тез өтетін механикалық
процестерді зерттеуге инерциясыз электр өлшеу тәсілдері қолданылады. Бұл
электр тәсілінің негізгі элементі болып, электр сигналын беретін
көрсеткіштер (датчиктер) жатады. Көрсеткіштер арқылы механикалық шамалар
анықталады. Көрсеткіштердің түрлері көп (А.М.Туричин, Электрические
измерения не электрических величин). Көрсеткіштен пайда болған сигналдар
күшейтіріліп, катод не болмаса шлейфті осциллограф арқылы тіркеледі. Аз
шамадағы жарамдылық мерзімді өлшейтін қондырғыны электродинамикалық тартып
қирату машинасы деп атайды. Бұл машина бірінші рет Санкт-Петербург
қаласындағы физика-техникалық институттың, беріктілік физикасы
зертханасында С.Н.Журков басшылығымен Э.Е.Томашевский құрастырған
(2–сурет).
2-сурет. Кіші мөлшердегі жарамдылық мерзімді өлшейтін қондырғының схемасы.
1-саңлауы бар магнит, 2-үлгімен қосылған катушка, 3-сұйықтық
демпфер, 4-үлгі, 5-күш датчигінің мембранасы, 6-датчиктің екінші электроды,
7-мембрана мен конденсатордың арасына қойылған смодадан жасалған сақина.
Бұл қондырғының негізін сыйымдылық күш көрсеткіші және сұйық демпферлі
электродинамикалық жүктегіш құрайды. Үлгіні жылдам жүктеу
электродинамикалық қондырғы арқылы жүргізіледі. Электродинамикалық қондырғы
сақина тәрізді саңылауы бар магниттен(1) тұрады. Сақина тәрізді саңылауға
сынайтын үлгімен қосылған катушка орналасқан. Саңылауда магнит өрісі
магниттелген коэрцитивті қоспа арқылы не болмаса магниттеуші катушка(2)
арқылы жасалады. Қозғалатын катушкадан электр тогы өткенде, мынаған тең
Ампер күші пайда болады:
мұндағы: Н-магнит өрісінің кернеулігі, i-катушкадан өтетін ток, L-
катушканың ұзындығы.
Бұл күш үлгіні жүктеуге қолданылады.Катушканың қозғалу үдеуі, ауырлық
үдеуінен 100 есе үлкен болуы мүмкін. Үлгі мен катушка аралығында сұйықтық
демпфер(3) орналастырылады. Ол арқылы әсер ететін күш импульсінің формасын
(3–сурет) өзгертуге болады.
3–сурет.Үлгіні бір бағытта тарту күші өсуінің осциллограммасы. 1-демпфер
жоқ кездегі кернеудің өзгеруі, 2-демпфер қосылған кездегі кернеудің
өзгеруі.
Демпфер үлгіні жүктеу диаграммасын өзгертеді екен. Демпфер арқылы
үлгіні тербеліс режим жүктеуден апериодикалық жүктеуге болады. 2-ші
сызықтың формасын демпфердің үйкеліс коэффициентін өзгерту арқылы жасауға
болады. Үлгіге әсер етуші күштің өсуі 2*10-3 ( 10-2 с аралығында жатады.
Жүктеу уақытының шектелуі қолданған тәсілдің мүмкіншілігінде емес, ол
зерттелетін материалдың қасиетіне және серпінді импульстің үлгі бойымен
таралу жылдамдығына байланысты, яғни табиғатты шектелу болып есептеледі.
Жүктеу уақытын қысқарту үшін, тек үлгінің ұзындығын қысқарту арқылы болады.
Сонымен бұл қондырғы жоғары жиілікті сыйымдылықты күш күшейткіштен,
жоғары жиілікті лампалы генератордан, детекторлайтын схемадан және катодты
осциллографтан тұрады. Бұл электродинамикалық машинаны созылу деформациясы
аз материалдардың жарамдылық мерзімін анықтауға (2*10-3 ( 10-2 с) болады.
Пластикалық деформациясы жоғары материалдарға қолдану үшін
электродинамикалық жүктейтін бөлшек, жүктелген кернеулік шамасын автоматты
түрде деформация барысында тұрақты етіп ұстап тұруы қажет (( ( const). Ол
үшін саңылауда қозғалатын катушка біртексіз арнайы орамнан жасалуы қажет не
болмаса саңылауда арнайы біртексіз магнит өрісін жасау қажет. Бүгінгі таңда
ондай қондырғы тәсілін ешкім жасамаған. Материал беріктілігіне ортаның
әсерін анықтау үшін, басқаша айтқанда Ораванның теориясын тексеру үшін
Журков, Левин, Томашевский бірінші рет вакуумда және инертті ортада зерттеу
жүргізді. Олардың зерттеуі бойынша, беріктіліктің уақытқа тәуелділігі тек
ортаға тәуелді еместігін дәлелдейді. Вакуум жасайтын жүйе форвакуум
сорғыштан (насос) - ВН-461 және май булы сорғыштан (парамаслянный) – ЦВЛ-
100 тұрады. Қалған бөлшектері материалды жүктеу және кернеулікті тұрақты
ұстайтын бөлшектер.
Күрделі жағдайда материалдардың жарамдылық мерзімін анықтау тәсілдері.
Біз материалдарды бір бағытта тарту тәсілімен жарамдылық
мерзімін қалай анықталатынын қарастырдық.. Бұл қарапайым тәсілден басқа,
материалдарды күрделі жағдайда сынау зерттеулері де жүргізілген. Күрделі
сынауға материалдарды циклды жүктеу, бұрау, бұрап тарту, гидростатикалық
қысым ортасында, радияцияның әсері, әр түрлі сұйық орталарда зерттеулер
жатады. Біз бұл тәсілдерге қысқаша тоқталып өтеміз, себебі, әрбір тәсілдің
практикада өзінің орны бар. Бірақ материалдардың қирау процесін физика
негізінде анықтауға аса айтарлықтай үлес қоспайды. Сонымен материалдардың
шаршау тәсіліндегі жарамдылық мерзімі қалай анықталатынына тоқталамыз.
Валға отырғызылған эксентристі моторға қосып, кривошип-шатун механизмі
серіппені (пружина) тартып, демпфер арқылы үлгіге және динамометрге жүк
түсіреді (4–сурет).
4-сурет. Үлгіні циклді жүктейтін қондырғының схемасы. 1-мотор, 2-
эксцентрик, 3-кривошипті шатун механизмі, 4-пружина, 5-үлгіні тартатын сым
(тяга), 6-демпфер, 7-үлгі, 8-динамометр, 9-динамометрді градуировка
жасайтын рычаг, 10-үлгі ұстағыштың трубкасы, 11-қозғалмайтын үлгі ұстағыш,
12-қыздырғыш, 13-Дьюар ыдысы.
Үлгіге түсірілген жүк уақыт барысында мынадай заңдылықпен өзгереді:
мұндағы, - жүктелген кернеудің амплитуда шамасы;
- айналмалы жиілік (циклді).
Уақыт барысында ( const болу үшін, алынған серіппе мынадай
шартқа сай болуы керек:
- серіппе бастапқы деформациясының амплитудалық шамасы;
- үлгінің бастапқы ұзындығы;
- қирау алдындағы үлгінің деформация шамасы ().
Егер үлгінің көлемі деформация барысында өзгермесе және үлгіде мойын
(шейка) пайда болмаса, үлгінің қирау алдындағы кернеулігі:
- қирау алдындағы жүктелген жүк;
- қирау алдындағы үлгінің көлденең ауданы;
- үлгінің бастапқы көлденең ауданы;
- қирау алдындағы үлгінің салыстырмалы ұзаруы;
- серіппенің қаттылық шамасы.
Үлгінің қирау алдындағы кернеулігін былай жазуға болады:
Олай болса, сынау барысында үлгідегі кернеулік тұрақты болу үшін:
болуы керек, шынында да . Бұдан келіп шығады. Бұл серіппеге
қойылатын шарт болатын (жоғарыда айтып кеткенбіз). Бұл тәсілді бірінші рет
Регель, Лексовский жасаған.
Енді материалдарды бұрау кездегі жылжығыштықтың жарамдылық
мерзімін анықтауын қарастырайық.
5-сурет. Үлгіні бұрау кезіндегі материалдың жарамдылық және жылжығыштығын
анықтайтын қондырғының схемасы. 1-тартқышты, шкифті және подшипникті (2)
теңестіруші ауырлық, 2-подшипник, 3-шкиф, 4-подшипник, 5-үлгі, 6-қыздырғыш,
7-сағат механизмі бар барабан.
Бұрау кездегі дененің жылжығыштығын және қирауын, денені бұрайтын екі
күш шкив арқылы үлгіге әсер етеді (5–сурет). Шкив үлгімен біртұтас
бекітіледі. Бұрау барысында үлгінің өлшемі өзгермейтін себепті, үлгіде
тұрақты кернеу болу үшін, бұрайтын күш моментінің тұрақты болуы жеткілікті.
Бұл тәсілді бірінші рет В.А.Степановтың басшылығымен Шпейзман құрастырып
зерттеу жүргізген (Санкт-Петербург, физика-техникалық институт,
В.А.Степановтың зертханасында).
6-сурет. Гидростаттикалық қысымда материалдардың жарамдылығын және
жылжығыштығын анықтайтын қондырғының схемасы. 1-үлгі, 2-төменгі қыстырғыш,
3-үлгіні жүктейтін спиральді пружина, 4-кпроннан жасалған жіп, 5-капронды
күйдіретін спираль, 6-металдан жасалған обойма, 7-үлкен кедергілі нихромнан
жасалған сым.
Жан-жақтан гидростатикалық қысым әсер етіп тұрған ортада, бір бағытта
созу кездегі материалдың жарамдылық мерзімі және жылжығыштығы зерттелген
(6–сурет). Үлгіде, деформация барысында кернеулік тұрақты болу үшін, шаршау
сынақ жүргізгендегі қондырғыдағы серіппе секілді арнайы серіппе қолданады.
Үлгінің жылжығыштық қисығын жазып отыру үшін патенциометр тәсілі
қолданылады. Ол үшін жоғары омды нихром сымының бір ұшы үлгінің төменгі
жағына қосылып, екінші ұшы серпінді пластинкаға жалғанады. Үлгінің
деформация барысында пластинка мен қозғалмайтын үлгінің төменгі жағы
арақашықтығы өзгеру нәтижесінде, бұл екі аралықтағы электр кернеуі өзгеріп
отырады. Кернеудің өзгеру шамасы үлгі ұзындығының өзгеруіне тура
пропорционал. Үлгінің жарамдылық мерзімін және жылжығыштығын өлшеу үшін
ішінде сығылған серіппе бар (әлі үлгі серіппе арқылы жүктелмеген) металдан
(цилиндр тәрізді трубка), үлгіні және үлгінің деформациясын жазатын
қондырғыны бомбаның каналына орналастырады. Каналдың диаметрі 18мм. Осы
каналдағы қысымды 15000 атм. дейін жеткізуге болады. Бомбада керекті қысым
жасалғаннан кейін, серіппе (бұрынғы сығылып тұрған) арқылы үлгі белгілі
кернеулікке жүктеледі. Бұл тәсіл бірінші рет А.И.Петров, Бетехтиннің
басшылығымен жасалып, материалдардың жарамдылық мерзіміне және
жылжығыштығына гидростатикалық қысымның әсері анықталған.
Осы бағытта зерттеуде басқа да тәсілдер қолданған, мысалы, бірденінен
созу және бұрау не болмаса созу және бұрау тәсілдері. Бұл тәсілдердің
практикалық мәні болғанмен, материалдың қирау барысында физикалық
процестерді анықтауда айтарлықтай үлесін қоспайды.
Бақылау сұрақтары:
1. Бір бағытта тартуда жарамдылық мерзімді анықтау тәсілі.
2. Механикалық кернеудің тұрақты болу шарты және Э.Е.Томашевский және
А.И.Слуцкер қондырғысы.
3. Электродинамикалық қондырғы, оның мақсаты.
4. Электродинамикалық қондырғыны қолдану шегі.
5. Дененің жарамдылық мерзімін вакуумда, инертті ортада анықтаудың
мақсаты.
6. Циклды денені жүктеу кезіндегі механикалық кернеудің тұрақты болу
шарты.
7. Денені бұрау, бұрап тарту, бұрап қысу қондырғылары.
8 – 9 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімді анықтау
теңдеуіндегі параметрлерді анықтау әдістері.
Жоспары:
1. Негізгі жарамдылық мерзімді анықтау.
2. Квадраттардың ең аз әдісі.
3. Жарамдылық мерзімнің кернеуге тәуелділігін анықтау.
Лекция мақсаты: Жарамдылық мерзімін анықтау теңдеуіндегі тұрақты
шамаларды анықтау тәсілдерін қарастыру.
Лекция мәтіні (қысқаша)
Әрбір қатты дене үшін эксперимент арқылы негізгі жарамдылық мерзімін
анықтайтын: ( ( (теңдеудегі және
параметрлерін анықтау үшін, әр түрлі температурада және кернеулікте
материалдың жарамдылық мерзімін анықтау керек. Әр түрлі температурада
lg - ( координатада мынандай сызықтар алынады:
, коэффициенттерді әр түрлі әдіспен табуға болады. Сол
әдістерді қарастырайық.
1.Алынған lg- ( сызықтарына lg ординатасына параллель
кескіндер өткіземіз. Әрбір кернеулікке (,,),
координатада сызықтар тұрғызамыз:
Әрбір кернеулік үшін шамасын мына формула арқылы табамыз:
Енді координатада сызықты сызамыз: сызықты экстрополяция
жасап -дің шамасын табамыз, ал коэффициентінің шамасы
анықталады не болмаса , -нольге
тең болған кездегі кернеулік.
коэффициенті әр түрлі температурада анықталған lg - (
сызықтарының полюсына сәйкес жарамдылық мерзім, яғни с.
Ескерте кету қажет, координатадағы сызықтар полюсы ординатада
шамада болған кезде ғана, жарамдылық мерзім теңдеуі орын алады.
Кейбір материалдар үшін сызықтарының полюсы ординатадан оңға не
болмаса солға ығысуы мүмкін, яғни полюс ығысу
эффекті орын алады. Ол жағдайлардың өзінің себептері бар, оларды
кейін
қарастырамыз.
Бұл коэффициенттерін анықтау әдісі өте көп уақытты талап етеді.
Шынында да бұл әдісті қолдану үшін, ең кем дегенде үш температурада сынақ
жүргізу қажет және әрбір температурада 30 шақты үлгінің жарамдылық мерзімін
әр түрлі кернеулікте анықтау қажет.
Енді шамаларын дәл анықтау мәселелерін қарастырайық. Бұл
коэффициенттерді дәл анықтау жарамдылық мерзімді, сынау температурасын және
жүктелген кернеулікті дәл анықтаумен байланысты. Эксперимент қателіктерін
анықтау тәсілдері белгілі. Мысалы, квадраттардың ең аз әдісі (метод
наименших квадратов) деген тәсіл арқылы. Осы тәсіл арқылы теңдеуден
мен -ны анықтайды. , ал . Бұл мәндер теңдеуден
келіп шығады.
Екі шеткі сынақ температурасына анықтауда, олардың сенімді
аралығын (интервалын) анықтауға болады. -ның сенімді аралығы
шамасының дәлдігін, ал -ның сенімді аралығы шамасының дәлдігін
білдіреді.
дәлдік шамасын анықтау үшін -ның екі температурадағы шеткі
мәндеріне сәйкес -ды, оның азаю жағына экстрополяция жүргізу қажет.
Оны графикте былай көрсетуге болады:
және -ді анықтауда экстрополяция жолы ұзақ болғандықтан,
экстрополяция сызықтарының шамалы ауытқуы және шамаларын
дәл анықтауға елеулі әсерін тигізеді. Сол себепті,
экстрополяцияны
жүргізгенде үлкен сақтық қажет.
Көп жағдайларда жарамдылық теңдеуі орындалады, сол себепті мәнін
қолдана отырып, мен коэффициенттерін оңай тәсілмен анықтауға
болады. Ол үшін бір температурада анықталған lg- ( сызығы жеткілікті.
Сызықтың енкіштілігінен -ны анықтап, сызықты ординатаға
экстрополяциялап, коэффициентін анықтайды. Бұл шамаларды мына
формулаларға қойып, мен -ны анықтайды:
,
Оның графигі мынадай болады:
Бірақ дәлдеу бұл коэффициенттерді анықтау үшін жарамдылық
мерзімді ең болмағанда екі температурада анықтау керек. Себебі,
біріншіден, шамасы екі температурадағы lg - ( сызықтары үйісу
арқасында тағы бір тексеріледі, екіншіден, шамасы екі шамасымен
дәлірек анықталады.
Енді бұл коэффициенттерді анықтаудың тағы бір тәсілін қарастырайық.
теңдеуінен алуға болады. Бұл теңдеу арқылы әрбір жарамдылық
мерзімге шамасын есептеп, сызығын сызуға болады. Егер барлық
эксперименталды нүктелер тура сызыққа шашырамай жақсы шоғырланған болса,
жарамдылық мерзім теңдеуі орындалып, экстрополяция арқылы шамасын
тауып, ол сызықтың еңкіштігі -ны анықтайды. Графикте былай болады:
Нүктелердің саны (90 шамасындай болады, яғни қанша үлгі сыналса сонша
нүкте болады.
коэффициенттерін анықтаудың тағы бір тәсілін қарастырайық. Бір
жылдамдықпен үлгіні жүктейтін (бір бағытта тарту арқылы) машиналар арқылы,
әр түрлі температурада материалдың беріктілігі анықталады. Яғни барлық
үлгілердің жарамдылық мерзімі бірдей болады. Үлгіні қирату кернеуліктің
температураға тәуелділігі сызықты болуы қажет. Шынында да теңдеуден
, бұдан:
Қирау кернеулігі тtмператураға сызықты тәуелді. Оның графигі мынандай
болады:
(0 болғанда , яғни . Ал Т(0 болғанда , олай болса
.
Енді коэффициенттердің өлшем бірлігін қарастырайық. энергия
(Дж), көлем (м3).
Ендігі жарамдылық мерзімнің кернеулікке тәуелділігін
анықтайтын
эксперименттер, осы параметрлердің қасиеттерін, олардың абсолют шамасын әр
түрлі материалдар үшін анықтау болып табылады.
Бақылау сұрақтары:
1. Жан-жақтан гидростатикалық қысу кезіндегі дененің жарамдылық мерзімін
анықтау.
2. Жан-жақтан гидростатикалық қысу кезіндегі дененің жылжығыштығын
анықтау.
3. Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтаудың І
тәсілі.
4. Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтаудың ІІ
тәсілі.
5. Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтаудың ІІІ
тәсілі.
6. Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтаудың ІV
тәсілі.
7. Жарамдылық мерзімін анықтайтын теңдеудегі параметрлерді дәл
анықтау.
10 – 11 лекция. Тақырыбы: Металл мен қоспалардың жарамдылық мерзімін
зерттеу
Жоспары:
1. Металдардың беріктілігінің температураға, уақытқа тәуелділігі.
2. С.Н.Журковтың басшылығымен жүргізілген зерттеулер. .
3. Үлгіде өтетін процесстер.
Лекция мақсаты: Металдар, қоспалар, полимерлердің жарамдылық мерзім
теңдеуіндегі тұрақты параметрлердің беріктілігімен тәуелділігін анықтау.
Қирау процессіндегі жарамдылық мерзімнің физикалық мағынасын ашу
Лекция мәтіні (қысқаша):
Металдардың, қоспалардың беріктілігінің температуруға, жарамдылық
мерзіміне тәуелділігі көп зерттелген. Бұл зерттеуді бірінші Вальтер (1926),
Я.М.Потак (1947), Гурлей және Борисовский (1948), М.И.Курманов, Р.С.Каплан,
И.А.Одинг, В.С.Иванова (1950) зерттеген. Бірақ жүйелі зерттеуді
С.Н.Журковтың басшылығымен Б.Н.Нарзуллаев 1953 жылы бастаған. Беріктіліктің
температураға, жарамдылық мерзімге тәуелділігі әр түрлі кристаллографиялық,
дислокациялық құрылымды және әр түрлі физика-механикалық қасиеті бар
металдар мен қоспаларда зерттелген. Поли және монокристалды металдар үшін
беріктіліктің температураға, уақытқа (ж.м.) тәуелділігі бірдей екендігі
байқалған. Анықталған қирау активация энергиясы сол металдың сублимация
энергиясына сәйкес келіп, өздік диффузия процесінің активация энергиясына
сәйкес келмегендігі анықталған. Қирау активация энергиясының осындай шамада
болуының үлкен мәні бар, оны кейін қарастырамыз. Бұл бағытта ары қарай
зерттеу, металл құрылымдарының және әр түрлі қоспалардың жарамдылық мерзім
теңдеуіндегі параметрлеріне әсерін тигізу мәселесін анықтау үшін
жүргізілген. Себебі, олардың әсер шамасын анықтау арқылы, қирау процесі
механизмін атомдық деңгейде анықтауға қосымша мәлімет беруі мүмкін. Бұл
бағытта С.Н.Журковтың басшылығымен көптеген зерттеулер жүргізілген. Сол
зерттеулер нәтижесінде барлық зерттелген металдар үшін, -дің шамасы
бірдей болуы анықталған. Әр түрлі бастапқы күйдегі, әр түрлі термикалық
өңдеу жүргізілген, легирленген, моно және поликристалды әрбір металдың
қирау активациялық энергия шамасы бірдей екендігі дәлелденген.
Беріктіліктің өзгеруі тек коэффициентінің өзгеруімен байланысты
екендігі анықталған.
Полимерлердің жарамдылық мерзімін зерттеу.
Кейбір материалдар беріктілігінің уақытқа (ж.м.) тәуелділігі, олардың
практикада жұмыс істейтін шартына жақын жағдайда анық байқалады. Сол
себепті, бұл материалдар беріктілігінің уақытқа тәуелділігін зерттеу өте
ыңғайлы. Екінші жағынан, оларды зерттеудің практикалық мәні де бар.
Полимерлер осындай типті материалдарға жатады.
Полимерлер беріктіліктің температураға, уақытқа тәуелділігі бөлме
температурасында айқын көрінеді. Соған да байланысты болар, уақыттың
беріктілікке әсері ертеде, 1930 жылдары анықталған. Мысалы, 1926 жылы
беріктілігінің уақытқа тәуелділігі мақта талшықтарында анықталған: ,
ал 1943 жылы Бюссе воскозаға, мақтаға, нейлонға теңдеудің
орындалатынын көрсеткен. 1944 жылы бұл теңдеу полиметилметокрилат
(органикалық шыны) және полистиролға орындалатынын көрсетіп, 1951 жылы осы
зерттеу нәтижесіне сүйене отырып, В.Р.Регель полимерлердің қирау процесінің
табиғаты термофлуктуациялық деген пікірді ұсынған. Сонымен бірге,
больцмандық шаманың терең физикалық мәні бар екендігін ескерткен. Бірақ бұл
ұсыныстарды нақты талдаусыз және параметрлердің физикалық мәнін
көрсетпеген.
Көптеген полимерлерді бір жүйеде С.Н.Журковтың басшылығымен зерттеліп,
барлық зерттелген полимерлер және металдар үшін -дің шамасы бірдей
және 10-12 с-қа тең екендігін көрсеткен. Полимерден полимерге -дің
шамасы өзгеріп отыратындығын көрсеткен, оның шамасы әрбір полимер
термодеструкциялық активация процесінің энергиясымен бірдей екендігін
дәлелдеген. Материалдан материалға коэффициентінің өзгеріп
отыратындығын көрсеткен. Бұл бағытта ары қарай зерттеу, полимерлердің
ориентациясы, полимер талшықтарын пластификациялау және полимерлердің
молекулалық ауырлығының өзгеруі, жалпы жарамдылық мерзім теңдеуіндегі
параметрлерге қандай әсерін тигізетіндігін анықтау барысында зерттеулер
жүргізілген.
Бұл зерттеулердің жүргізілу мақсаты – қирау процесі табиғатының
молекула-кинетикалық деңгейде қосымша мәлімет алу, химиялық және
молекулалық байланыстардың үзілуі, жалпы полимерлердің қирауына қаншалықты
үлесі немесе қатысы бар екендігін анықтау.
Вискоза, капрон талшықтарын металдарды күйдіру (отжигтау) не болмаса
легирлеу сияқты пластификациялау, олардың шамасын өзгертпей, тек
коэффициентін өзгерткенін көрсеткен. Бірақ пластификатордың шамасы
20%-дан артпауы керек. Егер ендірілген пластификатор 40-60% құрайтын болса,
олардың шамасында өзгеріс байқалған. Капрон талшықтарын
ориентациялау, капронның беріктілігін өсіріп, коэффициентін өзгертуі,
шамасына әсерін тигізбеуі байқалған. Осы эксперименттік нәтижеге
сүйене отырып, полимерлердің шамасы олардың химиялық құрылымына
байланысты, оларды дайындау технологиясына байланысты емес екенін дәлелдеу
мақсатында Журков пен Аббасов екі түрлі технология мен дайындалған
гидратцемолоза талшықтарының беріктілік қасиеттері салыстырылған. Бұл
талшықтар бір-бірінен беріктіліктігі, эластиктілігі және қирау алдындағы
салыстырмалы созылу шамаларымен айырмашылығы бар екендігі анықталған. Бірақ
екі технологиямен жасалған бұл полимерлердің шамалары бірдей болып,
коэффициенті әр түрлі екендігі дәлелденген. Сонымен,
коэффициентін материалдың құрылым сезімталдық коэффициенті деп атаған.
Ендігі зерттеу капронның макромолекула ұзындығы ориентацияланған және
ориентацияланбаған капронның беріктілігіне әсерін анықтау барысында
жүргізілген. Ультракүлгін сәулелерімен (ртутно-кварцевая лампа)
сәулелендіру арқылы капронның молекулалық салмағын 5 есеге дейін өзгертіп,
молекулалық салмақтың кемеюі коэффициентін ұлғайтуына немесе
беріктіліктің кемуіне алып келетіндігі анықталған. Бұл заңдылық
ориентацияланған және ориентацияланбаған капрондарда орын алатындығы
дәлелденген. Сонымен бірге молекулалық салмақтың өсуі капронның
шамаларына әсерін тигізбеген.
Бұл зерттеулермен қатар (Зубов, Ляхович, Муселян,Чирков, Лихтман,
Журков, Регель, Санфирова, Песчанский, Степанов, Вершинина, Конт, Бартенев,
Ратнер, Фальковский, Лексовский, Мальчевский, Железнов) күрделі қирау
процестерін байқаған. Олардың зерттеулеріне қарағанда, жарамдылық мерзім
теңдеуіндегі коэффициенттер біріншіден, -ның сынау шарты өзгергенде
өзгеретіндігі анықталған. Бұл күрделі сынауларды кейін қарастырамыз.
Зерттелген материалдардың нәтижесін түсіндіруде Маргетройдтың
гипотезасы орын алатындығына қарсы дәлел айту қиын, себебі, зерттелген
материалдардың барлығының құрылымы гетерогенді. Сол себепті кинетика
концепциясының негізін дәлелдеу үшін гетерогенді құрылымды емес, яғни
монокристалдардың беріктілігінің уақытқа және температураға тәуелділігін
анықтау қажет. Сонымен А1 құрылымды (), А2 құрылымды (М0), А3
құрылымды (Zn) ионды байланысты (AgCl, NaCl, KCl, LiF), ковалентті
байланысты (Ge, Si) және Ван-дер-вальс байланысты (мұз) монокристалдары
зерттелген. Бұл зерттеу Журков пен Бетехтин басшылығымен Бақтыбаев
жүргізген.
Зерттеу нәтижесі барлық кристалдар үшін жарамдылық мерзім теңдеуі орын
алатындығы дәлелденген. Барлық монокристалдарға, бұрынғы зерттелген қатты
денелерге сияқты с екендігі анықталған. Қирау активация процесінің
энергиясы әрбір монокристалдардың сублимация энергиясына жақын
екендігі дәлелденген. Синтетикалық, табиғаттан алынған, әр түрлі
ориентацияланған , әр түрлі термиялық өңделген және моно мен
поликристалдарда өзгермейтіндігі дәлелденіп, кристалдар беріктілігінің
өзгеруі, құрылымды сезімтал коэффициентімен байланысты екендігі анықталған.
Жарамдылық мерзім теңдеуі белгілі температура аралығында орын алатыны
анықталған. Мысалы, ионды кристалдар үшін әрбір кристалдың 0,5Тб
температурасынан жоғарыда орындалып (Тб – сол кристалдың болу
температурасы), бұл температурадан төмен температурада аномальді тәуелдік
бар екендігі дәлелденген. Оның себебі, төменгі температурада қирау
барысында, кристалдың құрылымы тұрақты болмай өзгеруіне байланысты екендігі
дәлелденген. Басқаша айтқанда, жарамдылық мерзім теңдеуінен ауытқу
шамаларының өзгеруіне байланысты болмай, коэффициентінің
тұрақсыздығына байланысты екендігі анықталған. Бұл бағытта зерттеулердің
жалғасуы беріктіліктің температураға, уақытқа тәуелділігі тек металдарда,
полимерлерде, металды және металды емес монокристалдарда ғана орындалмай,
күрделі құрылымды гетерогенді және компазиционды, практикада елеулі мәні
бар материалдарда орындалатыны дәлелденген. Мысалы, қағаз, ағаш, цемент,
стеклопластик т.б. материалдар.
Енді беріктілік кинетикалық концепциясының негізін қалау үшін,
жарамдылық мерзім шамасына үлгінің өлшемі, вакуум, статистикалық
эксперименталды нүктелердің шашырауы, екі ретті үлгіні жүктеу
эксперименттері жүргізілген. Бұл эксперименттер жүктелген денедегі
процестердің дамуы қайтымды емес екендігін дәлелдеу. Ал үлгі өлшемінің
беріктілікке әсері беріктіліктің статистикалық теориясын құруға мүмкіндік
тудырды. Бұл теория үлгінің өлшемі беріктілікке әсерін қауіпті ақаудың үлгі
көлемінде кездесу ықтималдығымен байланыстырады (А.П.Александров,
С.Н.Журков, С.Д.Волков, теориясы). Вакуумда зерттеу не үшін керек екендігі
бізге белгілі (Ораван теориясы орынсыз екендігін дәлелдеу). Кейбір
материалдардың беріктілігіне ортаның әсерін тигізуі орын алатындығы
кездеседі.
Беріктіліктің уақытқа тәуелділігі мынандай сұрақ тудырады: Дене
жүктелгеннен бастап оның қирауына дейінгі уақыт, яғни дененің жарамдылық
мерзімі неге кетеді, денеде бұл уақыт аралығында не болуы мүмкін?.
Жүктелген денеде мынандай 3 түрлі құбылыс болуы мүмкін:
1) Дененің қирауы кездейсоқ өтеді. Ол құбылыстың өтуі денеде
дайындалмайды, дене жүктелгеннен кейін тез арада өтіп дене қирауы
мүмкін. Олай болса, дененің жарамдылық мерзімі сол қирау акты күтуге
кеткен уақыт болады.
2) Қирау бір процестің денеде өтудің соңғы мерзімі. Ол жүктелген денеде
уақыт барысында өседі, (мысалы, сызаттың өсуі, атомаралық байланыс
үзілуінің жинақталуы) бірақ бұл процесс қайтымды.
3) Жүктелген денеде уақыт барысында қайтымсыз қирау процесі жүреді,
соңында дене қирайды.
Бұл мәселені феноменологиялық зерттеу арқылы шешуге болады, егер
жарамдылық мерзімді үлгіні жүктеу бірнеше рет үзіп, қайтадан сол
кернеулікке жүктеп отырып анықтап отырылса.
Шынында да көп біртекті үлгілерді дайындап, оларды белгілі тұрақты
кернеу мен температурада жүктесек, бірінші вариант орындалатын болса,
тұрақты салыстырмалы жылдамдықта үлгінің қирау заңдылығы, радиоактивті
ыдырау секілді мынандай болады:
- үлгіні жүктегеннен кейін уақыт аралығында қирамаған
үлгілердің саны.
Олай болса, үлгілер жарамдылық мерзім шамасы бойынша былай бөлінеді:
- бастапқы үлгілердің саны, с – үлгілердің 1- бөлігі қирауға
кеткен уақытқа кері шама.
Бұл жағдайда таралу функциясы (үлгінің саны) жарамдылық мерзім
шамасының -ы болмай, жай -ға байланысты болуы керек. Яғни,
өскен сайын функция бірқалыпты (монотонды) төмендейді. Бірақ арнайы
қойылған экспериментке қарағанда үлгілердің жарамдылық мерзімі бойынша
таралу функциясы төмендегідей:
Бұл графикке қарағанда жүктелген денеде бір процестің жүріп, соның
арқасында дене қирайды. Мұны дәлелдеу үшін және ол процестің қалай өтуін
анықтау үшін, атап айтқанда, қайтымды ма, әлде қайтымсыз ба екенін білу
үшін үлгіні жүктеп және жүкті үлгіден алып, тағы қайтадан жүктеу
эксперименттері жүргізілген. Эксперименттің нәтижесі мынаны берген:
-тоқтаусыз жүктелген үлгінің жарамдылық мерзімі;
- сол жағдайда үлгіні уақыт аралығында жүктеп, белгілі
уақытқа
үлгіні жүктен босатып, қайтадан уақыт аралығында жүктелген, сонда
тең болғанда үлгі қираған. Олай болса, үлгіде қайтымсыз процесс өтеді
деп айтуға болады.
Бақылау сұрақтары:
1. Металл мен қоспалардың жарамдылық мерзімін
анықтау.
2. Полимерлердің жарамдылық мерзімі.
3. В.Р.Регельдің полимерлердің қирауы жөніндегі пікірі.
4. С.Н.Журковтың полимерлерді зерттеу нәтижелері.
5. Полимерлерді пластификациялаудың әсері.
6. Полимерлерді ориентациялаудың әсері.
12 - 13 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімнің жалпы теңдеуі және
жылулық қозғалыстың механикалық қираудағы негізгі рөлі.
Жоспары:
1. Жалпы жарамдылық мерзім теңдеуінен мәліметтер алу.
2. Жылулық флуктуация және қирау процессінде оның ролі.
3. Кинетикалық қирау концепциясының жалпы негіздерін
қорытындылау.
Лекция мақсаты:
Жарамдылық мерзім теңдеуінен қандай мәлімет алуға болатынын қарастыру.
Я.И.Френкель ұсынған атомдардың жылу қозғалысын талдап, қирау процессінде
оның ролін ашу. Журков теңдеуінде атомаралық байланысқа жүктің теңдей
бөлінбеуі, қирау барысында жүктің көбеюін ескермей, жобамен дұрыс екенін
көрсету. Қатты денелердің кинетикалық концепциясының негізін беру.
Лекция мәтіні (қысқаша)
Бұл жерде жалпы жарамдылық мерзім теңдеуінен қандай мәлімет
алуға болатынын қарастырамыз. Кернеулік пен температура жарамдылық мерзімге
тең әсер етеді. Олай болса, температураны және кернеулікті өзгерту арқылы
жарамдылық мерзімді бірнеше рет өзгертуге болады. Механикалық қирау
процесіне атомдардың жылулық қозғалысы, жүктелген жүктің ролі сияқты елеулі
роль атқарады. Тағы бір ескеретін жағдай, жарамдылық мерзім экспонента
түрде температураға кері пропорционал. Бұл өте ескеретін жағдай, себебі,
көптеген кинетикалық параметрлердің температураға тәуелділігі көптеген
құбылыстарда орын алады.
Сонымен жарамдылық мерзімнің температураға тәуелділігін басқа
кинетикалық процестердің температураға тәуелділігімен салыстыруға болады.
Шынында да, Больцман факторы деп аталатын не болмаса шамаларды
көптеген термофлуктуациялық процестерді анықтауға қолданылады. Бұл Больцман
факторы булану, диффузия, химиялық реакцияның дамуын т.б. процестердің
жүруін басқарады. Олай болса, қирау, булану, диффузия және химия
реакциясының дамуы процестеріндегі жалпы жерін анықтау қажет. Бұл
процестердің жалпы жері жылулық энергияның атомдар арасында біртекті
бөлінбеуі болып есептеледі. Артық энергиясы бар атомдар активацияланған
болады. Ал олармен байланысты процестерді активацияланған не болмаса
термоактивациялық деп атайды. Сонымен жарамдылық мерзім теңдеуінің түріне
қарап, жүктелген қатты денелердің қирау процесі термоактивациялы не болмаса
термофлуктуациялық табиғаты бар дейміз. Барлық кинетикалық процесте, сол
процестің өтуі энергетикалық тосқауылды (барьерді) өту ықтималдығымен
анықталады. Қирау процесінде Больцман факторының шамасы
активацияланған атомдардың өтетін кедергісі болып табылады. Сол тосқауылдан
өтудің арқасында, қирау процесі дамиды. Тосқауылдан өту үшін
активацияланған атомдарға керекті энергияны активация энергиясы деп атайды.
Активация энергия шамасы процесті сипаттайтын негізгі шама болып
есептеледі. Ал процестің даму жылдамдығын анықтайды. Олай болса,
шамасы арқылы процестердің механизмін, олардың ішінде атомдардың
қайтадан топталуын және атомдар байланысының қирауын анықтауға болады.
Сонымен механикалық материалды сынау арқылы анықталған , зерттелген
материалдар атомдары байланысының ыдырау активациялық энергиясына жақын
болады.
Жылулық флуктуация және қирау процесінде оның ролі.
Больцманның идеясын дамытып, Я.И.Френкель конденсирланған жүйеге (қатты
дене және сұйықтықтарға) атомдардың жылу қозғалысын талдап, жүйедегі
атомдардың қозғалысын айқын көрсетуді ұсынды.
Жылу тербелісінің кванттық энергиясын -ға теңестірсек, .
- атомның потенциал шұңқырлықта еркін дәрежесіне келетін орташа
тербелісінің энергия шамасы. Олай болса, , болған кезде .
Ретсіз жылу қозғалысына байланысты атом тербелістері, уақыт барысында
орташа тербеліс жиілік шамасынан ауытқиды. Флуктуация кезіндегі атомның
энергиясын Wфл деп белгілейік, бұл ауытқудың ықтималдығы қатынасымен
анықталады. Френкельдің теориясы бойынша осы атомда екі,
бірінің артынан бірі өтетін флуктуацияның өтуіне қажетті орташа уақыт, мына
формула арқылы анықталады:
Флуктуация өтуінің уақыт мерзімін келесі, бірінің артынан бірі өтетін
элементар тебу толқындар санымен байланыстыруға болады. Осы тебу Wфл
энергиясын жинақтайды. Тебудің саны қатынасымен анықталады. Олай
болса, флуктуация өтуінің уақыт мерзімі мынандай болады:
шамасы бірдей бірнеше ғана үлкен болғанның өзінде
екендігін есептеп көрсетуге болады, яғни флуктуация процесі өте жылдам
өтеді екен. Флуктуацияның осы атомға келуі кездейсоқ құбылыс. қирау
активациялық энергияға тең (жүктелмеген денеде) флуктуация шамасы өте кем
кездесетін жағдай, себебі, шамасы өте үлкен (). Оның есесіне
жүктелмеген денеде рекомбинациялық процестің жүру ықтималдығы жоғары. Сол
себепті жүктелмеген денедегі анда-сонда қираған атомдар байланысы тез арада
қайтадан қосылып, қирау процесі жинақталмайды.
Жүктелген денелерде бұл процестер басқаша өтеді. Біріншіден, жүктелген
тарту күщі атомдар арасындағы байланысты әлсіретеді, яғни байланыс күшті
анықтайтын потенциалды тосқауыл төмендейді (), шамасына.
Екіншіден, үзілген атом байланыстарының қайтадан қалпына келу мүмкіншілігі
тез төмендейді. Рекомбинациялық акт жүктелген денелерде жоқ деп айтуға
болады (мәселені жеңілдету мақсатында). Тағы бір жеңілдету мақсатында,
денеге жүктелген жүк барлық атомаралық байланыстарға тең бөлінеді деп
есептеу, яғни барлық атом байланыс энергиясы бірдей шамаға төмендетіледі
деп есептеу. Төмендеу нәтижесінде , шамасына түседі
((). Олай болса, Wфл( флуктуация атомаралық байланысты үзе
бастайды. Барлық атомаралық байланыстарға үзетін флуктуация бір мезгілде
келмейді. Үзілген байланыстардың саны уақыт өтуімен көбейе түседі. Уақыт
шамасына жеткенде, үзетін флуктуация барлық атомдар байланысына
жетеді. Олай болса, үлгінің жарамдылық мерзімі тең. Бұл жобамен
материалдың жарамдылық мерзімін анықтауда тағы бір мәселелер есепке
алынбаған. Атап айтқанда, атомаралық байланыстардың үзілу барысында
жүктелген жүк үзілмеген байланыстарға таралып жүктеменің көбеюі.
Керілген байланыстың қирау активация энергиясының кемеюі мынаған тең:
- қирау алдындағы байланыстың ұзарған ұзындығы, бұл шама атомдар
арақашықтығына жуық шама;
Р – денеге жүктелген жүктің шамасы;
- жүктелгеннен кейін t уақыт өткеннен кейінгі атомаралық
байланыстардың саны.
Олай болса:
,
уақыт аралығында атомаралық байланыстың кемеюі , бұдан:
Дененің жарамдылық мерзімі үлгідегі барлық атомаралық байланыстың
үзілуіне кеткен уақыт болғандықтан:
, деп белгілеп: ; , олай
болса:
Дене жүктелгеннен алдыңғы байланыс саны N0- ге тең. Онда бастапқы
және . Олай болса:
Логарифмалық дәлдікпен деп жазуға болады. Сонымен атомаралық
байланыстың уақыт барысында азаюы идеал жағдайдағы екендігіне әсерін
тигізбейтіндігі анықталды. Байланыстардың қирауы арқасында қалған
байланысқа әсерін тигізетін қосымша кернеу, тек жарамдылық мерзім
теңдеуіндегі экспонента алдындағы шамаға әсерін тигізеді екен. Бұл
шаманың температураға және кернеулікке тәуелділігі байқалған.
Енді жүктелген жүктің барлық атомаралық байланысқа бірдей тең әсерін
тигізеді деген ұсыныстың тең деген қорытындыға қалай әсерін
тигізетіндігін қарастырайық. Реал денелерде жүктелген жүк байланыстардың
бір бөлігіне ғана әсерін тигізеді. Қирау барысында бұрын жүктелмеген
байланыстар жүктеледі. Олай болса:
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Жоспары: 1. Ақауы жоқ идеал дененің морт қирауы.
2.Гриффитс-Иоффе теориясы.
3.Материалдың беріктілігіне зерттеу жүргізу.
4.Қатты денелердің жарамдылық мерзімі.
Лекция мақсаты:
Ораван, Маргетроид және С.Н.Журковтың қатты дененің қирау процесстеріне
ұсынылған теорияларын қарастыру.
Лекция мәтіні (қысқаша)
Көп уақытқа дейін қатты денелердің беріктілік физикасының табиғатын
олардың критикалық қирау түсінігімен қарастырып келгенін айтып өттік. Осы
көзқараспен ақауы жоқ идеал дененің морт қирауын қарастырайық. Бұл денеге
жүктелген жүк сол дененің теориялық беріктілігіне жеткенде, ол дене
бірденінен атомдарға шашылып кеткен болар еді. Реал жағдайда денелер
бірнеше бөлікке ғана бөлінетінін және жүктелген жүк шамасы теориялық
беріктілікке жетпей қирайтыны белгілі (Гриффитс теориясы). Бұл теорияның
рас екендігін А.Ф.Иоффе өзінің экспериментінде дәлелдеген (NaCl кристалын
су ертінді ортасындағы беріктілігі теориялық беріктілікке жақын болғаны
байқалған). Бірақ Гриффитс пен Иоффенің теориясы реал беріктілігінің шамасы
теориялық беріктілік шамасынан төмен екендігін және денелер қирау барысында
2-3 бөлікке ғана бөлінетінін түсіндіргенімен, жүктелген жүктің әсер етуші
уақыт мерзімі сол, жүктелген дененің беріктілік шамасына әсерін тигізуін
түсіндіре алмайды. Мысалы, егер үлгі аз уақыт арасында жүктеліп, оның
беріктілік шегі сол денеден жасалған үлгіні көп уақыт аралығында
жүктелгендегі беріктілік шегіне қарағанда әлдеқайда жоғары екендігі
байқалған. Бұл материалдың статикалық шаршауы деп аталады.
Денелердің статикалық шаршауын көптеген зерттеушілер силикат шыныларда,
полимерлерде, металдарда, ионды кристалдарда т.б. материалдарда байқаған.
Материал беріктілігіне жүктеу уақытының әсерін, әр түрлі жылдамдықпен
жүктегенде немесе деформациялағанда беріктіліктің шегі өзгеруінен,
жылжығыштық тәсілі және ұзақ мерзімді беріктілігін анықтау барысында
байқауға болады.
Уақыт мерзімінің дене беріктілігіне әсерін дененің критикалық қирау
сипаттамасымен біріктіруге болмайды. Шынында да бір жағынан денеге
жүктелген жүк белгілі шегіне жеткенде ғана қирайтын болса, екінші жағынан
сол дененің беріктілік шегінің денені жүктеу мерзіміне (уақытына)
тәуелділігі бір-біріне қайшы. Бұл қайшылыққа көптеген зерттеушілер көңіл
аударғанымен, оны түсіндіру барысында статикалық көзқараста қалып қоя
берген. Яғни, дене беріктілік проблемаларының шешімі болмаған. Мысалы, шыны
материалдары беріктілігінің уақытқа тәуелділігін, Ораван Гриффитстің
теориясын қолдана отырып, ауадан ылғалды сору арқасында беттік керілу
коэффициентінің төмендеуімен түсіндірген:
мұндағы Е - Юнг модулі, ( - Пуассон коэффициенті, ( - сызат ұзындығы, (,( -
беттік керілу (( (1)
Ораван теориясы бойынша, үлгі тез мерзімде жүктелсе, жаңа пайда болған
сызат ылғалды сорып алуға үлгермейді, сызатта беттік керілу болмайды,
сондықтан да беріктілік жоғары. Ал үлгі көп уақыт мерзімде жүктелген болса,
жаңа сызат ылғалды сорып алуға үлгереді, беттік кернеу сына (клин) ретінде
әсерін тигізіп беріктілік шамасын төмендетеді.
Маргетройд шыны беріктілігіне жүктеу мерзімінің әсерін, шыны екі
фазадан тұруымен байланысты деп түсіндірген. Шыны гетерогенді жүйеден
тұрады деп есептеп (квазитұтқырлы және серпінді элементтерден тұрады),
уақыт мерзімі өткен сайын тұтқырлы пластиктив микробөлшектерде релаксация
өтуі нәтижесінде серпінді элементінде кернеулік өсіп отырады. Бұл процесс
серпінді элементіндегі кернеулік материалдың беріктілік шегіне жеткенше
өседі де, материал қирайды, яғни материалдың беріктілігіне уақыт мерзімінің
әсерін материалдың ішіндегі кернеуліктің таралу процесімен (релаксация)
байланыстырылады. Бұл гипотезаны кейбір зерттеушілер, материал беріктілік
шамасының уақыт мерзіміне тәуелділігін осы күнге дейін осылай түсіндіреді.
Мысалы, поликристалды металдар үшін, әр түрлі физика-химиялық қасиеттері
бар материалдарда олардың беріктілігіне уақыт мерзімі әсерін тигізетіндігі
Ораванның теориясы орынсыз екендігін дәлелдейді. Мысалы, резина,
пластмасса, фарфор, металдар, ионды кристалдар т.б. материалдар зерттелген.
Олардың қирауына және беріктілігіне орта әр түрлі әсер ететіндігі бізге
белгілі.
Сонымен, материалдың беріктілігі уақыт мерзіміне тәуелділігіне зерттеу
жүргізу, ортаға байланысты емес екендігі анықталды. Оған қосымша дәлел,
кейінгі кездегі вакуумда және инертті ортада жүргізген зерттеулер
беріктіліктің уақыт мерзіміне тәуелділігін көрсетеді.
Ораван мен Маргетройдтың теориясы әр түрлі болғанымен, екі теория да
әрбір материалдың беріктілік шегі барлығына қарсы емес. Яғни, беріктіліктің
статикалық концепциясы сақталады, материалдың қирауы критикалық түрде өтеді
деп есептеді. Беріктіліктің уақыт мерзіміне тәуелділігін сыртқы қосымша
процестермен байланыстырады. Алдағы қарастырылатын феноменологиялық және
жүктелген денедегі өтетін элементар процестерді зерттеу нәтижесінде дене
беріктілігінің уақыт мерзіміне тәуелділігі сыртқы қосымша процестермен
байланысты болмай, беріктіліктің уақытқа тәуелділігі – тікелей дененің
қирау механизмімен байланысты екендігін дәлелдеді.
Сонымен, беріктіліктің уақытқа тәуелділігі, қатты денелердің қирау
заңдылығы, жалпы физикалық табиғаты бар және сол табиғатпен тікелей
байланыстылығын көрсетеді. Дене беріктілік проблемасына кинетикалық
көзқараспен қарау, дене қирауы уақытқа байланысты дене ішінде қирау процесі
жүріп, олардың жинақталуымен байланыстыру қажет. Олай болса, бұл
процестерді анықтаудың ең оңай жолы – қатты денелердің жарамдылық мерзімін
тұрақты температурада және тұрақты кернеуде анықтау. Яғни, дене жүктелген
уақыттан бастап, сол дененің сол жүктің астында қирау үшін кеткен уақытты
анықтау болып табылады. Материалдың механикалық беріктілігін анықтауда,
кинетикалық қирау концепциясы бойынша материалдың жарамдылық мерзімі –
фундаментальді шама болып есептеледі. Бұл шаманы қирау процесінде орташа
қирау жылдамдығына кері пропорционал деп алуға болады:
(
Әрбір материалдың беріктілік қасиетін және олардың қирау табиғатын
кинетикалық көзқараспен анықтау үшін, ол материалдың жарамдылық мерзімінің
жүктелген кернеулікке және үлгіні сынау температурасына тәуелділігін
анықтау қажет:(( - ?
Бақылау сұрақтары:
1. Беріктілік проблемасына статистикалық көзқарас. Гриффитс-Иоффе
теориясы.
2. Беріктілік проблемасына кинетикалық көзқарас.
3. Ораванның теориясы.
4. Маргетроидтың теориясы.
5. Ораван теориясының дұрыс еместігіне дәлел.
3-лекция. Тақырыбы: Қатты денелердің жарамдылық мерзімі және беріктілік
кинетикалық концепциясының негіздері.
Жоспары:
1. Жүктелген қатты денелердің жарамдылық мерзімін анықтау.
2. Жарамдылық мерзімнің кернеулікке тәуелділігі.
3. Одинг көзқарасы.
Лекция мақсаты Қатты дененің жарамдылық мерзімін анықтауға ұсынылған
зерттеу тәсілі, жарамдылық мерзімнің кернеуге, температураға тәуелділігін
қарастыру.
Лекция мәтіні (қысқаша)
Жүктелген қатты денелердің жарамдылық мерзімін, негізінде, үлгіні бір
бағытта созу арқылы анықтаған. Ол үшін үлгіні пленкадан немесе фольгадан не
болмаса топталған талшықтардан арнайы жасайды. Үлгі полимер пленка тәрізді
болса, металл жұқа фольга тәрізді болса, арнайы пышақ арқылы жасалады:
Топталған талшық болса:
Ал кристалдардан талшық параллелепипед жасалып (арнайы пышақ арқылы)
желімге отырғызылады.
Жасалған үлгілерді былай сынайды: белгілі температурада үлгіні, белгілі
кернеулікпен жүктейді. Үлгі жүктелген кезден бастап, үлгі қирағанға дейінгі
уақытты, яғни жарамдылық мерзімін анықтайды. Әр түрлі температурада және
кернеулікте (80-90) үлгілердің жарамдылық мерзімі анықталады, бірақ бір
үлгі үшін кернеу де, температурада тұрақты болуы қажет.
Арнайы қондырғы, үлгіні созу барысында оның деформациялануына қарамай,
үлгі қирауына дейін жүктелген кернеуді тұрақты етіп ұстайды. Осы
қондырғылардың арқасында жарамдылық мерзім 10 рет аралығында анықталған (10-
3 с – бірнеше ай аралығында).
Жарамдылық мерзімнің температураға, жүктелген кернеулікке тәуелділігі
көптеген материалдар үшін анықталған. Олар: поликристалды металдар –
Санфирова, Бетехтин; әр түрлі монокристалдар – Бақтыбаев; металл емес
қоспалар – Регель, Левин; полимерлер – Журков, Нарзуллаев, Аббасов; металды
қоспалар – Бетехтин, Петров, Бақтыбаев; күрделі компазитты материалдар -
Регель, Бетехтин, Бақтыбаев; цемент тастар, бетондар – Бақтыбаев,
Кадырбеков.
Барлық зерттелген материалдар үшін температура тұрақты болған кезде,
жарамдылық мерзімнің кернеулікке тәуелділігін былай жазуға болады:
( (1)
А, ( - осы материалдың тұрақты шамасы.
Жарамдылық мерзім ортаға байланысты емес екенін дәлелдеу үшін,
зерттеуді вакуумда не болмаса инертті ортада жүргізген. Бұл формуланы
болған кезде қолдануға болмайды, себебі сызықты lg - ( тәуелділік
орындалмайды. Оның себептерін кейін қарастырамыз.
Кейбір зерттеушілер, мысалы, И.А.Одинг және басқалар lg - (
қисығы асимтотикалық ординатаға жетпей, ординатаға параллель оське
жақындайды, (о қауіпсіздік кернеу деп есептеген. Бұл көзқарасты
тексеру өте қиын,
өйткені (о кездегі жарамдылық мерзімі өте үлкен шама. Бұл
көзқарас
теорияға қарсы болмағанымен дискуссиялық көзқарасқа жатады. Сол үшін біз
қазірше тек lg - ( тәуелділіктің тура сызықты жағын қарастырамыз.
Барлық зерттелген материалдарға бұл теңдеудің орындалуы, жарамдылық мерзім
жүктелген денеде өтетін қирау процесінің жинақталуына кетеді деп есептеуге
болады. Бұған дәлел, үлгіні жүктеуді бірнеше рет тоқтатып, қайтадан сол
шамаға жүктеген кездегі қирауға кеткен жарамдылық мерзім, тоқтаусыз үзбей
жүктеген кездегі жарамдылық мерзімге қарағанда аз болғаны дәлел бола алады.
Енді жүктелген денедегі өтетін процестер, сол дененің қирауына алып
келетін болса, сол процестің табиғатын анықтау мақсатында жарамдылық мерзім
шамасына температураның әсерін анықтау қажет. Сонымен, lg - (
тәуелділігін әр түрлі температурада анықталған. Әр температураның lg
- ( тәуелділігі тура сызықты, температура өскен сайын lg - ( қисығы
енкіштігі ұлғайып, температура төмендеген сайын lg - ( сызығы тік
сызыққа жақындайтыны байқалған. Бұны график түрінде былай көрсетуге болады:
Белгілі бір жарамдылық мерзім шамасында барлық lg - (
сызықтар
бір нүктеге қосылатындығы байқалған. Ол жарамдылық мерзім (10-13 с тең.
Сызықтардың қосылатын нүктесін полюс деп атаған. График түрде былай
көрсетуге болады:
Жарамдылық мерзімнің полюстағы шамасы ( ≈ 10-12 ÷ 10-13 с,
lg( -13.
Жарамдылық мерзімнің Т, ( тәуелділігін аналитик түрде былай жазуға болады:
( ( ( (2), ( -
( және - тұрақты шамалар, олардың физикалық мәнін кейін қарастырамыз.
Екінші формуланың экспериментті нәтижелерді тура түсіндіретінін тексеру
үшін, бұл формуланы былай жазуға болады:
( (3)
Бұл формулаға қарағанда барлық тура сызықтар бір сызыққа:
жинақталуы қажет. Дененің қирау табиғатын (2)-формуланы талдау арқылы
анықтауға болады. Бұл формула жарамдылық мерзімнің негізгі теңдеуі болып
есептеледі.
Бақылау сұрақтары:
1. Дене қирау табиғаты кинетикалық көзқараспен өтуін анықтау.
2. Жарамдылық мерзімі және кинетикалық концепциясының негіздері.
3. И.А.Одинг және басқалардың көзқарасы.
4. Жарамдылық мерзімнің механикалық кернеуге тәуелділігі.
5. Жарамдылық мерзімнің температураға тәуелділігі.
4-7 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімді анықтау тәсілі.
Жоспары:
1. Материалдың жарамдылық мерзімін бір бағытта үлгіні тарту арқылы
анықтау.
2. Үлгіні қысқа уақыт аралығында жүктеу тәсілі.
3. Материалдың беріктілігіне ортаның әсер етуі.
Лекция мақсаты: Жарамдылық мерзімді жылжығыштық анықтайтын
тәсілдердің жұмыс атқаруымен таныстыру.
Лекция мәтіні (қысқаша):
Жоғарыда айтылғандай материалдың жарамдылық мерзімін бір бағытта үлгіні
тарту (созу) арқылы анықталады.Ол үшін үлгі біртекті деформацияланып,
көлемі өзгермейтін жағдайда үлгінің көлденең кесімі деформацияның арқасында
былай азаяды:
S = , (
Олай болса, үлгіге әсер етуші кернеу өсуі ( ( (1+()
болады. Үлгіге әсер етуші кернеу тұрақты болу үшін, жүктелген күш
деформация барысында былай кемуі керек:
F(() ( , F = P
( const болу үшін ілінген Р жүктің иығы = шамаға
өзгеріп тұруы керек. R-дің деформация барысында мұндай өзгеруін
Э.Е.Томашевский және А.И.Слуцкер есептеп тапқан рычаг фигурасының профилі,
полярлық координат бойынша былай болу қажет:
(
- үлгінің бастапқы ұзындығы.
Рычагтың (1–сурет) негізгі параметрі сыналатын материалдың
қасиетіне байланысты. Егер материалдың деформациясы көп болмаса, ((((()
радиусты үлгі ұзындығы тең етіп алуға болады. Егер деформация (
(((( болса, ( 2.
Практикада рычагты деформация барысында 270 бұрышқа бұру мүмкін.
Рычагты дайындау дәлдігін асыру мақсатында рычаг өлшемдері үлкен болуы
қажет. Сол себепті аралығында болады.
1-cурет. Жарамдылық мерзімді анықтайтын қондырғының схемасы. 1-үлгі, 2-
блокпен иілгіш, 3-фигуралы рычаг, 4-фигуралы рычагты теңестіретін ауырлық,
5-ішінде сағат механизмі бар барабан, жылу излояцияланбайтын камера.
Бұл қондырғы арқылы жарамдылық мерзімді бірнеше секундтан, бірнеше ай
аралығында анықтауға болады. Жарамдылық мерзімді анықтауда төменгі жағынан
шектеулі қондырғының конструкциясына байланысты, үлгіні жүктеуге кететін
уақыт 2-3 секундты талап етеді. Ал жарамдылық мерзімнің (, Т-ға
тәуелділігін дәл анықтау үшін, жарамдылық мерзімді өлшейтін интервал үлкен
болуы қажет. Бірақ интервалды үлкейту, яғни айдан жылға өту перспективасыз,
себебі өлшеу интервалы бір реттікке ғана өседі. Ал қысқа жарамдылық
мерзімді анықтау, мысалы, с жарамдылық мерзім интервалын 3-4 ретке
кеңітеді. Сонымен қатар, материалдардың соққы (удар) жүктелуінде қирауы
практикада көп кездескен себепті, бұл бағытта қирау барысын зерттеу қажет
болатындығы белгілі.
Сонымен, үлгіні қысқа уақыт аралығында жүктеу тәсілін табу қажет. Ол
үшін кіші интервалды өлшейтін жүйе табу керек. Тез өтетін механикалық
процестерді зерттеуге инерциясыз электр өлшеу тәсілдері қолданылады. Бұл
электр тәсілінің негізгі элементі болып, электр сигналын беретін
көрсеткіштер (датчиктер) жатады. Көрсеткіштер арқылы механикалық шамалар
анықталады. Көрсеткіштердің түрлері көп (А.М.Туричин, Электрические
измерения не электрических величин). Көрсеткіштен пайда болған сигналдар
күшейтіріліп, катод не болмаса шлейфті осциллограф арқылы тіркеледі. Аз
шамадағы жарамдылық мерзімді өлшейтін қондырғыны электродинамикалық тартып
қирату машинасы деп атайды. Бұл машина бірінші рет Санкт-Петербург
қаласындағы физика-техникалық институттың, беріктілік физикасы
зертханасында С.Н.Журков басшылығымен Э.Е.Томашевский құрастырған
(2–сурет).
2-сурет. Кіші мөлшердегі жарамдылық мерзімді өлшейтін қондырғының схемасы.
1-саңлауы бар магнит, 2-үлгімен қосылған катушка, 3-сұйықтық
демпфер, 4-үлгі, 5-күш датчигінің мембранасы, 6-датчиктің екінші электроды,
7-мембрана мен конденсатордың арасына қойылған смодадан жасалған сақина.
Бұл қондырғының негізін сыйымдылық күш көрсеткіші және сұйық демпферлі
электродинамикалық жүктегіш құрайды. Үлгіні жылдам жүктеу
электродинамикалық қондырғы арқылы жүргізіледі. Электродинамикалық қондырғы
сақина тәрізді саңылауы бар магниттен(1) тұрады. Сақина тәрізді саңылауға
сынайтын үлгімен қосылған катушка орналасқан. Саңылауда магнит өрісі
магниттелген коэрцитивті қоспа арқылы не болмаса магниттеуші катушка(2)
арқылы жасалады. Қозғалатын катушкадан электр тогы өткенде, мынаған тең
Ампер күші пайда болады:
мұндағы: Н-магнит өрісінің кернеулігі, i-катушкадан өтетін ток, L-
катушканың ұзындығы.
Бұл күш үлгіні жүктеуге қолданылады.Катушканың қозғалу үдеуі, ауырлық
үдеуінен 100 есе үлкен болуы мүмкін. Үлгі мен катушка аралығында сұйықтық
демпфер(3) орналастырылады. Ол арқылы әсер ететін күш импульсінің формасын
(3–сурет) өзгертуге болады.
3–сурет.Үлгіні бір бағытта тарту күші өсуінің осциллограммасы. 1-демпфер
жоқ кездегі кернеудің өзгеруі, 2-демпфер қосылған кездегі кернеудің
өзгеруі.
Демпфер үлгіні жүктеу диаграммасын өзгертеді екен. Демпфер арқылы
үлгіні тербеліс режим жүктеуден апериодикалық жүктеуге болады. 2-ші
сызықтың формасын демпфердің үйкеліс коэффициентін өзгерту арқылы жасауға
болады. Үлгіге әсер етуші күштің өсуі 2*10-3 ( 10-2 с аралығында жатады.
Жүктеу уақытының шектелуі қолданған тәсілдің мүмкіншілігінде емес, ол
зерттелетін материалдың қасиетіне және серпінді импульстің үлгі бойымен
таралу жылдамдығына байланысты, яғни табиғатты шектелу болып есептеледі.
Жүктеу уақытын қысқарту үшін, тек үлгінің ұзындығын қысқарту арқылы болады.
Сонымен бұл қондырғы жоғары жиілікті сыйымдылықты күш күшейткіштен,
жоғары жиілікті лампалы генератордан, детекторлайтын схемадан және катодты
осциллографтан тұрады. Бұл электродинамикалық машинаны созылу деформациясы
аз материалдардың жарамдылық мерзімін анықтауға (2*10-3 ( 10-2 с) болады.
Пластикалық деформациясы жоғары материалдарға қолдану үшін
электродинамикалық жүктейтін бөлшек, жүктелген кернеулік шамасын автоматты
түрде деформация барысында тұрақты етіп ұстап тұруы қажет (( ( const). Ол
үшін саңылауда қозғалатын катушка біртексіз арнайы орамнан жасалуы қажет не
болмаса саңылауда арнайы біртексіз магнит өрісін жасау қажет. Бүгінгі таңда
ондай қондырғы тәсілін ешкім жасамаған. Материал беріктілігіне ортаның
әсерін анықтау үшін, басқаша айтқанда Ораванның теориясын тексеру үшін
Журков, Левин, Томашевский бірінші рет вакуумда және инертті ортада зерттеу
жүргізді. Олардың зерттеуі бойынша, беріктіліктің уақытқа тәуелділігі тек
ортаға тәуелді еместігін дәлелдейді. Вакуум жасайтын жүйе форвакуум
сорғыштан (насос) - ВН-461 және май булы сорғыштан (парамаслянный) – ЦВЛ-
100 тұрады. Қалған бөлшектері материалды жүктеу және кернеулікті тұрақты
ұстайтын бөлшектер.
Күрделі жағдайда материалдардың жарамдылық мерзімін анықтау тәсілдері.
Біз материалдарды бір бағытта тарту тәсілімен жарамдылық
мерзімін қалай анықталатынын қарастырдық.. Бұл қарапайым тәсілден басқа,
материалдарды күрделі жағдайда сынау зерттеулері де жүргізілген. Күрделі
сынауға материалдарды циклды жүктеу, бұрау, бұрап тарту, гидростатикалық
қысым ортасында, радияцияның әсері, әр түрлі сұйық орталарда зерттеулер
жатады. Біз бұл тәсілдерге қысқаша тоқталып өтеміз, себебі, әрбір тәсілдің
практикада өзінің орны бар. Бірақ материалдардың қирау процесін физика
негізінде анықтауға аса айтарлықтай үлес қоспайды. Сонымен материалдардың
шаршау тәсіліндегі жарамдылық мерзімі қалай анықталатынына тоқталамыз.
Валға отырғызылған эксентристі моторға қосып, кривошип-шатун механизмі
серіппені (пружина) тартып, демпфер арқылы үлгіге және динамометрге жүк
түсіреді (4–сурет).
4-сурет. Үлгіні циклді жүктейтін қондырғының схемасы. 1-мотор, 2-
эксцентрик, 3-кривошипті шатун механизмі, 4-пружина, 5-үлгіні тартатын сым
(тяга), 6-демпфер, 7-үлгі, 8-динамометр, 9-динамометрді градуировка
жасайтын рычаг, 10-үлгі ұстағыштың трубкасы, 11-қозғалмайтын үлгі ұстағыш,
12-қыздырғыш, 13-Дьюар ыдысы.
Үлгіге түсірілген жүк уақыт барысында мынадай заңдылықпен өзгереді:
мұндағы, - жүктелген кернеудің амплитуда шамасы;
- айналмалы жиілік (циклді).
Уақыт барысында ( const болу үшін, алынған серіппе мынадай
шартқа сай болуы керек:
- серіппе бастапқы деформациясының амплитудалық шамасы;
- үлгінің бастапқы ұзындығы;
- қирау алдындағы үлгінің деформация шамасы ().
Егер үлгінің көлемі деформация барысында өзгермесе және үлгіде мойын
(шейка) пайда болмаса, үлгінің қирау алдындағы кернеулігі:
- қирау алдындағы жүктелген жүк;
- қирау алдындағы үлгінің көлденең ауданы;
- үлгінің бастапқы көлденең ауданы;
- қирау алдындағы үлгінің салыстырмалы ұзаруы;
- серіппенің қаттылық шамасы.
Үлгінің қирау алдындағы кернеулігін былай жазуға болады:
Олай болса, сынау барысында үлгідегі кернеулік тұрақты болу үшін:
болуы керек, шынында да . Бұдан келіп шығады. Бұл серіппеге
қойылатын шарт болатын (жоғарыда айтып кеткенбіз). Бұл тәсілді бірінші рет
Регель, Лексовский жасаған.
Енді материалдарды бұрау кездегі жылжығыштықтың жарамдылық
мерзімін анықтауын қарастырайық.
5-сурет. Үлгіні бұрау кезіндегі материалдың жарамдылық және жылжығыштығын
анықтайтын қондырғының схемасы. 1-тартқышты, шкифті және подшипникті (2)
теңестіруші ауырлық, 2-подшипник, 3-шкиф, 4-подшипник, 5-үлгі, 6-қыздырғыш,
7-сағат механизмі бар барабан.
Бұрау кездегі дененің жылжығыштығын және қирауын, денені бұрайтын екі
күш шкив арқылы үлгіге әсер етеді (5–сурет). Шкив үлгімен біртұтас
бекітіледі. Бұрау барысында үлгінің өлшемі өзгермейтін себепті, үлгіде
тұрақты кернеу болу үшін, бұрайтын күш моментінің тұрақты болуы жеткілікті.
Бұл тәсілді бірінші рет В.А.Степановтың басшылығымен Шпейзман құрастырып
зерттеу жүргізген (Санкт-Петербург, физика-техникалық институт,
В.А.Степановтың зертханасында).
6-сурет. Гидростаттикалық қысымда материалдардың жарамдылығын және
жылжығыштығын анықтайтын қондырғының схемасы. 1-үлгі, 2-төменгі қыстырғыш,
3-үлгіні жүктейтін спиральді пружина, 4-кпроннан жасалған жіп, 5-капронды
күйдіретін спираль, 6-металдан жасалған обойма, 7-үлкен кедергілі нихромнан
жасалған сым.
Жан-жақтан гидростатикалық қысым әсер етіп тұрған ортада, бір бағытта
созу кездегі материалдың жарамдылық мерзімі және жылжығыштығы зерттелген
(6–сурет). Үлгіде, деформация барысында кернеулік тұрақты болу үшін, шаршау
сынақ жүргізгендегі қондырғыдағы серіппе секілді арнайы серіппе қолданады.
Үлгінің жылжығыштық қисығын жазып отыру үшін патенциометр тәсілі
қолданылады. Ол үшін жоғары омды нихром сымының бір ұшы үлгінің төменгі
жағына қосылып, екінші ұшы серпінді пластинкаға жалғанады. Үлгінің
деформация барысында пластинка мен қозғалмайтын үлгінің төменгі жағы
арақашықтығы өзгеру нәтижесінде, бұл екі аралықтағы электр кернеуі өзгеріп
отырады. Кернеудің өзгеру шамасы үлгі ұзындығының өзгеруіне тура
пропорционал. Үлгінің жарамдылық мерзімін және жылжығыштығын өлшеу үшін
ішінде сығылған серіппе бар (әлі үлгі серіппе арқылы жүктелмеген) металдан
(цилиндр тәрізді трубка), үлгіні және үлгінің деформациясын жазатын
қондырғыны бомбаның каналына орналастырады. Каналдың диаметрі 18мм. Осы
каналдағы қысымды 15000 атм. дейін жеткізуге болады. Бомбада керекті қысым
жасалғаннан кейін, серіппе (бұрынғы сығылып тұрған) арқылы үлгі белгілі
кернеулікке жүктеледі. Бұл тәсіл бірінші рет А.И.Петров, Бетехтиннің
басшылығымен жасалып, материалдардың жарамдылық мерзіміне және
жылжығыштығына гидростатикалық қысымның әсері анықталған.
Осы бағытта зерттеуде басқа да тәсілдер қолданған, мысалы, бірденінен
созу және бұрау не болмаса созу және бұрау тәсілдері. Бұл тәсілдердің
практикалық мәні болғанмен, материалдың қирау барысында физикалық
процестерді анықтауда айтарлықтай үлесін қоспайды.
Бақылау сұрақтары:
1. Бір бағытта тартуда жарамдылық мерзімді анықтау тәсілі.
2. Механикалық кернеудің тұрақты болу шарты және Э.Е.Томашевский және
А.И.Слуцкер қондырғысы.
3. Электродинамикалық қондырғы, оның мақсаты.
4. Электродинамикалық қондырғыны қолдану шегі.
5. Дененің жарамдылық мерзімін вакуумда, инертті ортада анықтаудың
мақсаты.
6. Циклды денені жүктеу кезіндегі механикалық кернеудің тұрақты болу
шарты.
7. Денені бұрау, бұрап тарту, бұрап қысу қондырғылары.
8 – 9 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімді анықтау
теңдеуіндегі параметрлерді анықтау әдістері.
Жоспары:
1. Негізгі жарамдылық мерзімді анықтау.
2. Квадраттардың ең аз әдісі.
3. Жарамдылық мерзімнің кернеуге тәуелділігін анықтау.
Лекция мақсаты: Жарамдылық мерзімін анықтау теңдеуіндегі тұрақты
шамаларды анықтау тәсілдерін қарастыру.
Лекция мәтіні (қысқаша)
Әрбір қатты дене үшін эксперимент арқылы негізгі жарамдылық мерзімін
анықтайтын: ( ( (теңдеудегі және
параметрлерін анықтау үшін, әр түрлі температурада және кернеулікте
материалдың жарамдылық мерзімін анықтау керек. Әр түрлі температурада
lg - ( координатада мынандай сызықтар алынады:
, коэффициенттерді әр түрлі әдіспен табуға болады. Сол
әдістерді қарастырайық.
1.Алынған lg- ( сызықтарына lg ординатасына параллель
кескіндер өткіземіз. Әрбір кернеулікке (,,),
координатада сызықтар тұрғызамыз:
Әрбір кернеулік үшін шамасын мына формула арқылы табамыз:
Енді координатада сызықты сызамыз: сызықты экстрополяция
жасап -дің шамасын табамыз, ал коэффициентінің шамасы
анықталады не болмаса , -нольге
тең болған кездегі кернеулік.
коэффициенті әр түрлі температурада анықталған lg - (
сызықтарының полюсына сәйкес жарамдылық мерзім, яғни с.
Ескерте кету қажет, координатадағы сызықтар полюсы ординатада
шамада болған кезде ғана, жарамдылық мерзім теңдеуі орын алады.
Кейбір материалдар үшін сызықтарының полюсы ординатадан оңға не
болмаса солға ығысуы мүмкін, яғни полюс ығысу
эффекті орын алады. Ол жағдайлардың өзінің себептері бар, оларды
кейін
қарастырамыз.
Бұл коэффициенттерін анықтау әдісі өте көп уақытты талап етеді.
Шынында да бұл әдісті қолдану үшін, ең кем дегенде үш температурада сынақ
жүргізу қажет және әрбір температурада 30 шақты үлгінің жарамдылық мерзімін
әр түрлі кернеулікте анықтау қажет.
Енді шамаларын дәл анықтау мәселелерін қарастырайық. Бұл
коэффициенттерді дәл анықтау жарамдылық мерзімді, сынау температурасын және
жүктелген кернеулікті дәл анықтаумен байланысты. Эксперимент қателіктерін
анықтау тәсілдері белгілі. Мысалы, квадраттардың ең аз әдісі (метод
наименших квадратов) деген тәсіл арқылы. Осы тәсіл арқылы теңдеуден
мен -ны анықтайды. , ал . Бұл мәндер теңдеуден
келіп шығады.
Екі шеткі сынақ температурасына анықтауда, олардың сенімді
аралығын (интервалын) анықтауға болады. -ның сенімді аралығы
шамасының дәлдігін, ал -ның сенімді аралығы шамасының дәлдігін
білдіреді.
дәлдік шамасын анықтау үшін -ның екі температурадағы шеткі
мәндеріне сәйкес -ды, оның азаю жағына экстрополяция жүргізу қажет.
Оны графикте былай көрсетуге болады:
және -ді анықтауда экстрополяция жолы ұзақ болғандықтан,
экстрополяция сызықтарының шамалы ауытқуы және шамаларын
дәл анықтауға елеулі әсерін тигізеді. Сол себепті,
экстрополяцияны
жүргізгенде үлкен сақтық қажет.
Көп жағдайларда жарамдылық теңдеуі орындалады, сол себепті мәнін
қолдана отырып, мен коэффициенттерін оңай тәсілмен анықтауға
болады. Ол үшін бір температурада анықталған lg- ( сызығы жеткілікті.
Сызықтың енкіштілігінен -ны анықтап, сызықты ординатаға
экстрополяциялап, коэффициентін анықтайды. Бұл шамаларды мына
формулаларға қойып, мен -ны анықтайды:
,
Оның графигі мынадай болады:
Бірақ дәлдеу бұл коэффициенттерді анықтау үшін жарамдылық
мерзімді ең болмағанда екі температурада анықтау керек. Себебі,
біріншіден, шамасы екі температурадағы lg - ( сызықтары үйісу
арқасында тағы бір тексеріледі, екіншіден, шамасы екі шамасымен
дәлірек анықталады.
Енді бұл коэффициенттерді анықтаудың тағы бір тәсілін қарастырайық.
теңдеуінен алуға болады. Бұл теңдеу арқылы әрбір жарамдылық
мерзімге шамасын есептеп, сызығын сызуға болады. Егер барлық
эксперименталды нүктелер тура сызыққа шашырамай жақсы шоғырланған болса,
жарамдылық мерзім теңдеуі орындалып, экстрополяция арқылы шамасын
тауып, ол сызықтың еңкіштігі -ны анықтайды. Графикте былай болады:
Нүктелердің саны (90 шамасындай болады, яғни қанша үлгі сыналса сонша
нүкте болады.
коэффициенттерін анықтаудың тағы бір тәсілін қарастырайық. Бір
жылдамдықпен үлгіні жүктейтін (бір бағытта тарту арқылы) машиналар арқылы,
әр түрлі температурада материалдың беріктілігі анықталады. Яғни барлық
үлгілердің жарамдылық мерзімі бірдей болады. Үлгіні қирату кернеуліктің
температураға тәуелділігі сызықты болуы қажет. Шынында да теңдеуден
, бұдан:
Қирау кернеулігі тtмператураға сызықты тәуелді. Оның графигі мынандай
болады:
(0 болғанда , яғни . Ал Т(0 болғанда , олай болса
.
Енді коэффициенттердің өлшем бірлігін қарастырайық. энергия
(Дж), көлем (м3).
Ендігі жарамдылық мерзімнің кернеулікке тәуелділігін
анықтайтын
эксперименттер, осы параметрлердің қасиеттерін, олардың абсолют шамасын әр
түрлі материалдар үшін анықтау болып табылады.
Бақылау сұрақтары:
1. Жан-жақтан гидростатикалық қысу кезіндегі дененің жарамдылық мерзімін
анықтау.
2. Жан-жақтан гидростатикалық қысу кезіндегі дененің жылжығыштығын
анықтау.
3. Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтаудың І
тәсілі.
4. Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтаудың ІІ
тәсілі.
5. Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтаудың ІІІ
тәсілі.
6. Жарамдылық мерзімді анықтау теңдеуіндегі параметрлерді анықтаудың ІV
тәсілі.
7. Жарамдылық мерзімін анықтайтын теңдеудегі параметрлерді дәл
анықтау.
10 – 11 лекция. Тақырыбы: Металл мен қоспалардың жарамдылық мерзімін
зерттеу
Жоспары:
1. Металдардың беріктілігінің температураға, уақытқа тәуелділігі.
2. С.Н.Журковтың басшылығымен жүргізілген зерттеулер. .
3. Үлгіде өтетін процесстер.
Лекция мақсаты: Металдар, қоспалар, полимерлердің жарамдылық мерзім
теңдеуіндегі тұрақты параметрлердің беріктілігімен тәуелділігін анықтау.
Қирау процессіндегі жарамдылық мерзімнің физикалық мағынасын ашу
Лекция мәтіні (қысқаша):
Металдардың, қоспалардың беріктілігінің температуруға, жарамдылық
мерзіміне тәуелділігі көп зерттелген. Бұл зерттеуді бірінші Вальтер (1926),
Я.М.Потак (1947), Гурлей және Борисовский (1948), М.И.Курманов, Р.С.Каплан,
И.А.Одинг, В.С.Иванова (1950) зерттеген. Бірақ жүйелі зерттеуді
С.Н.Журковтың басшылығымен Б.Н.Нарзуллаев 1953 жылы бастаған. Беріктіліктің
температураға, жарамдылық мерзімге тәуелділігі әр түрлі кристаллографиялық,
дислокациялық құрылымды және әр түрлі физика-механикалық қасиеті бар
металдар мен қоспаларда зерттелген. Поли және монокристалды металдар үшін
беріктіліктің температураға, уақытқа (ж.м.) тәуелділігі бірдей екендігі
байқалған. Анықталған қирау активация энергиясы сол металдың сублимация
энергиясына сәйкес келіп, өздік диффузия процесінің активация энергиясына
сәйкес келмегендігі анықталған. Қирау активация энергиясының осындай шамада
болуының үлкен мәні бар, оны кейін қарастырамыз. Бұл бағытта ары қарай
зерттеу, металл құрылымдарының және әр түрлі қоспалардың жарамдылық мерзім
теңдеуіндегі параметрлеріне әсерін тигізу мәселесін анықтау үшін
жүргізілген. Себебі, олардың әсер шамасын анықтау арқылы, қирау процесі
механизмін атомдық деңгейде анықтауға қосымша мәлімет беруі мүмкін. Бұл
бағытта С.Н.Журковтың басшылығымен көптеген зерттеулер жүргізілген. Сол
зерттеулер нәтижесінде барлық зерттелген металдар үшін, -дің шамасы
бірдей болуы анықталған. Әр түрлі бастапқы күйдегі, әр түрлі термикалық
өңдеу жүргізілген, легирленген, моно және поликристалды әрбір металдың
қирау активациялық энергия шамасы бірдей екендігі дәлелденген.
Беріктіліктің өзгеруі тек коэффициентінің өзгеруімен байланысты
екендігі анықталған.
Полимерлердің жарамдылық мерзімін зерттеу.
Кейбір материалдар беріктілігінің уақытқа (ж.м.) тәуелділігі, олардың
практикада жұмыс істейтін шартына жақын жағдайда анық байқалады. Сол
себепті, бұл материалдар беріктілігінің уақытқа тәуелділігін зерттеу өте
ыңғайлы. Екінші жағынан, оларды зерттеудің практикалық мәні де бар.
Полимерлер осындай типті материалдарға жатады.
Полимерлер беріктіліктің температураға, уақытқа тәуелділігі бөлме
температурасында айқын көрінеді. Соған да байланысты болар, уақыттың
беріктілікке әсері ертеде, 1930 жылдары анықталған. Мысалы, 1926 жылы
беріктілігінің уақытқа тәуелділігі мақта талшықтарында анықталған: ,
ал 1943 жылы Бюссе воскозаға, мақтаға, нейлонға теңдеудің
орындалатынын көрсеткен. 1944 жылы бұл теңдеу полиметилметокрилат
(органикалық шыны) және полистиролға орындалатынын көрсетіп, 1951 жылы осы
зерттеу нәтижесіне сүйене отырып, В.Р.Регель полимерлердің қирау процесінің
табиғаты термофлуктуациялық деген пікірді ұсынған. Сонымен бірге,
больцмандық шаманың терең физикалық мәні бар екендігін ескерткен. Бірақ бұл
ұсыныстарды нақты талдаусыз және параметрлердің физикалық мәнін
көрсетпеген.
Көптеген полимерлерді бір жүйеде С.Н.Журковтың басшылығымен зерттеліп,
барлық зерттелген полимерлер және металдар үшін -дің шамасы бірдей
және 10-12 с-қа тең екендігін көрсеткен. Полимерден полимерге -дің
шамасы өзгеріп отыратындығын көрсеткен, оның шамасы әрбір полимер
термодеструкциялық активация процесінің энергиясымен бірдей екендігін
дәлелдеген. Материалдан материалға коэффициентінің өзгеріп
отыратындығын көрсеткен. Бұл бағытта ары қарай зерттеу, полимерлердің
ориентациясы, полимер талшықтарын пластификациялау және полимерлердің
молекулалық ауырлығының өзгеруі, жалпы жарамдылық мерзім теңдеуіндегі
параметрлерге қандай әсерін тигізетіндігін анықтау барысында зерттеулер
жүргізілген.
Бұл зерттеулердің жүргізілу мақсаты – қирау процесі табиғатының
молекула-кинетикалық деңгейде қосымша мәлімет алу, химиялық және
молекулалық байланыстардың үзілуі, жалпы полимерлердің қирауына қаншалықты
үлесі немесе қатысы бар екендігін анықтау.
Вискоза, капрон талшықтарын металдарды күйдіру (отжигтау) не болмаса
легирлеу сияқты пластификациялау, олардың шамасын өзгертпей, тек
коэффициентін өзгерткенін көрсеткен. Бірақ пластификатордың шамасы
20%-дан артпауы керек. Егер ендірілген пластификатор 40-60% құрайтын болса,
олардың шамасында өзгеріс байқалған. Капрон талшықтарын
ориентациялау, капронның беріктілігін өсіріп, коэффициентін өзгертуі,
шамасына әсерін тигізбеуі байқалған. Осы эксперименттік нәтижеге
сүйене отырып, полимерлердің шамасы олардың химиялық құрылымына
байланысты, оларды дайындау технологиясына байланысты емес екенін дәлелдеу
мақсатында Журков пен Аббасов екі түрлі технология мен дайындалған
гидратцемолоза талшықтарының беріктілік қасиеттері салыстырылған. Бұл
талшықтар бір-бірінен беріктіліктігі, эластиктілігі және қирау алдындағы
салыстырмалы созылу шамаларымен айырмашылығы бар екендігі анықталған. Бірақ
екі технологиямен жасалған бұл полимерлердің шамалары бірдей болып,
коэффициенті әр түрлі екендігі дәлелденген. Сонымен,
коэффициентін материалдың құрылым сезімталдық коэффициенті деп атаған.
Ендігі зерттеу капронның макромолекула ұзындығы ориентацияланған және
ориентацияланбаған капронның беріктілігіне әсерін анықтау барысында
жүргізілген. Ультракүлгін сәулелерімен (ртутно-кварцевая лампа)
сәулелендіру арқылы капронның молекулалық салмағын 5 есеге дейін өзгертіп,
молекулалық салмақтың кемеюі коэффициентін ұлғайтуына немесе
беріктіліктің кемуіне алып келетіндігі анықталған. Бұл заңдылық
ориентацияланған және ориентацияланбаған капрондарда орын алатындығы
дәлелденген. Сонымен бірге молекулалық салмақтың өсуі капронның
шамаларына әсерін тигізбеген.
Бұл зерттеулермен қатар (Зубов, Ляхович, Муселян,Чирков, Лихтман,
Журков, Регель, Санфирова, Песчанский, Степанов, Вершинина, Конт, Бартенев,
Ратнер, Фальковский, Лексовский, Мальчевский, Железнов) күрделі қирау
процестерін байқаған. Олардың зерттеулеріне қарағанда, жарамдылық мерзім
теңдеуіндегі коэффициенттер біріншіден, -ның сынау шарты өзгергенде
өзгеретіндігі анықталған. Бұл күрделі сынауларды кейін қарастырамыз.
Зерттелген материалдардың нәтижесін түсіндіруде Маргетройдтың
гипотезасы орын алатындығына қарсы дәлел айту қиын, себебі, зерттелген
материалдардың барлығының құрылымы гетерогенді. Сол себепті кинетика
концепциясының негізін дәлелдеу үшін гетерогенді құрылымды емес, яғни
монокристалдардың беріктілігінің уақытқа және температураға тәуелділігін
анықтау қажет. Сонымен А1 құрылымды (), А2 құрылымды (М0), А3
құрылымды (Zn) ионды байланысты (AgCl, NaCl, KCl, LiF), ковалентті
байланысты (Ge, Si) және Ван-дер-вальс байланысты (мұз) монокристалдары
зерттелген. Бұл зерттеу Журков пен Бетехтин басшылығымен Бақтыбаев
жүргізген.
Зерттеу нәтижесі барлық кристалдар үшін жарамдылық мерзім теңдеуі орын
алатындығы дәлелденген. Барлық монокристалдарға, бұрынғы зерттелген қатты
денелерге сияқты с екендігі анықталған. Қирау активация процесінің
энергиясы әрбір монокристалдардың сублимация энергиясына жақын
екендігі дәлелденген. Синтетикалық, табиғаттан алынған, әр түрлі
ориентацияланған , әр түрлі термиялық өңделген және моно мен
поликристалдарда өзгермейтіндігі дәлелденіп, кристалдар беріктілігінің
өзгеруі, құрылымды сезімтал коэффициентімен байланысты екендігі анықталған.
Жарамдылық мерзім теңдеуі белгілі температура аралығында орын алатыны
анықталған. Мысалы, ионды кристалдар үшін әрбір кристалдың 0,5Тб
температурасынан жоғарыда орындалып (Тб – сол кристалдың болу
температурасы), бұл температурадан төмен температурада аномальді тәуелдік
бар екендігі дәлелденген. Оның себебі, төменгі температурада қирау
барысында, кристалдың құрылымы тұрақты болмай өзгеруіне байланысты екендігі
дәлелденген. Басқаша айтқанда, жарамдылық мерзім теңдеуінен ауытқу
шамаларының өзгеруіне байланысты болмай, коэффициентінің
тұрақсыздығына байланысты екендігі анықталған. Бұл бағытта зерттеулердің
жалғасуы беріктіліктің температураға, уақытқа тәуелділігі тек металдарда,
полимерлерде, металды және металды емес монокристалдарда ғана орындалмай,
күрделі құрылымды гетерогенді және компазиционды, практикада елеулі мәні
бар материалдарда орындалатыны дәлелденген. Мысалы, қағаз, ағаш, цемент,
стеклопластик т.б. материалдар.
Енді беріктілік кинетикалық концепциясының негізін қалау үшін,
жарамдылық мерзім шамасына үлгінің өлшемі, вакуум, статистикалық
эксперименталды нүктелердің шашырауы, екі ретті үлгіні жүктеу
эксперименттері жүргізілген. Бұл эксперименттер жүктелген денедегі
процестердің дамуы қайтымды емес екендігін дәлелдеу. Ал үлгі өлшемінің
беріктілікке әсері беріктіліктің статистикалық теориясын құруға мүмкіндік
тудырды. Бұл теория үлгінің өлшемі беріктілікке әсерін қауіпті ақаудың үлгі
көлемінде кездесу ықтималдығымен байланыстырады (А.П.Александров,
С.Н.Журков, С.Д.Волков, теориясы). Вакуумда зерттеу не үшін керек екендігі
бізге белгілі (Ораван теориясы орынсыз екендігін дәлелдеу). Кейбір
материалдардың беріктілігіне ортаның әсерін тигізуі орын алатындығы
кездеседі.
Беріктіліктің уақытқа тәуелділігі мынандай сұрақ тудырады: Дене
жүктелгеннен бастап оның қирауына дейінгі уақыт, яғни дененің жарамдылық
мерзімі неге кетеді, денеде бұл уақыт аралығында не болуы мүмкін?.
Жүктелген денеде мынандай 3 түрлі құбылыс болуы мүмкін:
1) Дененің қирауы кездейсоқ өтеді. Ол құбылыстың өтуі денеде
дайындалмайды, дене жүктелгеннен кейін тез арада өтіп дене қирауы
мүмкін. Олай болса, дененің жарамдылық мерзімі сол қирау акты күтуге
кеткен уақыт болады.
2) Қирау бір процестің денеде өтудің соңғы мерзімі. Ол жүктелген денеде
уақыт барысында өседі, (мысалы, сызаттың өсуі, атомаралық байланыс
үзілуінің жинақталуы) бірақ бұл процесс қайтымды.
3) Жүктелген денеде уақыт барысында қайтымсыз қирау процесі жүреді,
соңында дене қирайды.
Бұл мәселені феноменологиялық зерттеу арқылы шешуге болады, егер
жарамдылық мерзімді үлгіні жүктеу бірнеше рет үзіп, қайтадан сол
кернеулікке жүктеп отырып анықтап отырылса.
Шынында да көп біртекті үлгілерді дайындап, оларды белгілі тұрақты
кернеу мен температурада жүктесек, бірінші вариант орындалатын болса,
тұрақты салыстырмалы жылдамдықта үлгінің қирау заңдылығы, радиоактивті
ыдырау секілді мынандай болады:
- үлгіні жүктегеннен кейін уақыт аралығында қирамаған
үлгілердің саны.
Олай болса, үлгілер жарамдылық мерзім шамасы бойынша былай бөлінеді:
- бастапқы үлгілердің саны, с – үлгілердің 1- бөлігі қирауға
кеткен уақытқа кері шама.
Бұл жағдайда таралу функциясы (үлгінің саны) жарамдылық мерзім
шамасының -ы болмай, жай -ға байланысты болуы керек. Яғни,
өскен сайын функция бірқалыпты (монотонды) төмендейді. Бірақ арнайы
қойылған экспериментке қарағанда үлгілердің жарамдылық мерзімі бойынша
таралу функциясы төмендегідей:
Бұл графикке қарағанда жүктелген денеде бір процестің жүріп, соның
арқасында дене қирайды. Мұны дәлелдеу үшін және ол процестің қалай өтуін
анықтау үшін, атап айтқанда, қайтымды ма, әлде қайтымсыз ба екенін білу
үшін үлгіні жүктеп және жүкті үлгіден алып, тағы қайтадан жүктеу
эксперименттері жүргізілген. Эксперименттің нәтижесі мынаны берген:
-тоқтаусыз жүктелген үлгінің жарамдылық мерзімі;
- сол жағдайда үлгіні уақыт аралығында жүктеп, белгілі
уақытқа
үлгіні жүктен босатып, қайтадан уақыт аралығында жүктелген, сонда
тең болғанда үлгі қираған. Олай болса, үлгіде қайтымсыз процесс өтеді
деп айтуға болады.
Бақылау сұрақтары:
1. Металл мен қоспалардың жарамдылық мерзімін
анықтау.
2. Полимерлердің жарамдылық мерзімі.
3. В.Р.Регельдің полимерлердің қирауы жөніндегі пікірі.
4. С.Н.Журковтың полимерлерді зерттеу нәтижелері.
5. Полимерлерді пластификациялаудың әсері.
6. Полимерлерді ориентациялаудың әсері.
12 - 13 лекция. Тақырыбы: Жарамдылық мерзімнің жалпы теңдеуі және
жылулық қозғалыстың механикалық қираудағы негізгі рөлі.
Жоспары:
1. Жалпы жарамдылық мерзім теңдеуінен мәліметтер алу.
2. Жылулық флуктуация және қирау процессінде оның ролі.
3. Кинетикалық қирау концепциясының жалпы негіздерін
қорытындылау.
Лекция мақсаты:
Жарамдылық мерзім теңдеуінен қандай мәлімет алуға болатынын қарастыру.
Я.И.Френкель ұсынған атомдардың жылу қозғалысын талдап, қирау процессінде
оның ролін ашу. Журков теңдеуінде атомаралық байланысқа жүктің теңдей
бөлінбеуі, қирау барысында жүктің көбеюін ескермей, жобамен дұрыс екенін
көрсету. Қатты денелердің кинетикалық концепциясының негізін беру.
Лекция мәтіні (қысқаша)
Бұл жерде жалпы жарамдылық мерзім теңдеуінен қандай мәлімет
алуға болатынын қарастырамыз. Кернеулік пен температура жарамдылық мерзімге
тең әсер етеді. Олай болса, температураны және кернеулікті өзгерту арқылы
жарамдылық мерзімді бірнеше рет өзгертуге болады. Механикалық қирау
процесіне атомдардың жылулық қозғалысы, жүктелген жүктің ролі сияқты елеулі
роль атқарады. Тағы бір ескеретін жағдай, жарамдылық мерзім экспонента
түрде температураға кері пропорционал. Бұл өте ескеретін жағдай, себебі,
көптеген кинетикалық параметрлердің температураға тәуелділігі көптеген
құбылыстарда орын алады.
Сонымен жарамдылық мерзімнің температураға тәуелділігін басқа
кинетикалық процестердің температураға тәуелділігімен салыстыруға болады.
Шынында да, Больцман факторы деп аталатын не болмаса шамаларды
көптеген термофлуктуациялық процестерді анықтауға қолданылады. Бұл Больцман
факторы булану, диффузия, химиялық реакцияның дамуын т.б. процестердің
жүруін басқарады. Олай болса, қирау, булану, диффузия және химия
реакциясының дамуы процестеріндегі жалпы жерін анықтау қажет. Бұл
процестердің жалпы жері жылулық энергияның атомдар арасында біртекті
бөлінбеуі болып есептеледі. Артық энергиясы бар атомдар активацияланған
болады. Ал олармен байланысты процестерді активацияланған не болмаса
термоактивациялық деп атайды. Сонымен жарамдылық мерзім теңдеуінің түріне
қарап, жүктелген қатты денелердің қирау процесі термоактивациялы не болмаса
термофлуктуациялық табиғаты бар дейміз. Барлық кинетикалық процесте, сол
процестің өтуі энергетикалық тосқауылды (барьерді) өту ықтималдығымен
анықталады. Қирау процесінде Больцман факторының шамасы
активацияланған атомдардың өтетін кедергісі болып табылады. Сол тосқауылдан
өтудің арқасында, қирау процесі дамиды. Тосқауылдан өту үшін
активацияланған атомдарға керекті энергияны активация энергиясы деп атайды.
Активация энергия шамасы процесті сипаттайтын негізгі шама болып
есептеледі. Ал процестің даму жылдамдығын анықтайды. Олай болса,
шамасы арқылы процестердің механизмін, олардың ішінде атомдардың
қайтадан топталуын және атомдар байланысының қирауын анықтауға болады.
Сонымен механикалық материалды сынау арқылы анықталған , зерттелген
материалдар атомдары байланысының ыдырау активациялық энергиясына жақын
болады.
Жылулық флуктуация және қирау процесінде оның ролі.
Больцманның идеясын дамытып, Я.И.Френкель конденсирланған жүйеге (қатты
дене және сұйықтықтарға) атомдардың жылу қозғалысын талдап, жүйедегі
атомдардың қозғалысын айқын көрсетуді ұсынды.
Жылу тербелісінің кванттық энергиясын -ға теңестірсек, .
- атомның потенциал шұңқырлықта еркін дәрежесіне келетін орташа
тербелісінің энергия шамасы. Олай болса, , болған кезде .
Ретсіз жылу қозғалысына байланысты атом тербелістері, уақыт барысында
орташа тербеліс жиілік шамасынан ауытқиды. Флуктуация кезіндегі атомның
энергиясын Wфл деп белгілейік, бұл ауытқудың ықтималдығы қатынасымен
анықталады. Френкельдің теориясы бойынша осы атомда екі,
бірінің артынан бірі өтетін флуктуацияның өтуіне қажетті орташа уақыт, мына
формула арқылы анықталады:
Флуктуация өтуінің уақыт мерзімін келесі, бірінің артынан бірі өтетін
элементар тебу толқындар санымен байланыстыруға болады. Осы тебу Wфл
энергиясын жинақтайды. Тебудің саны қатынасымен анықталады. Олай
болса, флуктуация өтуінің уақыт мерзімі мынандай болады:
шамасы бірдей бірнеше ғана үлкен болғанның өзінде
екендігін есептеп көрсетуге болады, яғни флуктуация процесі өте жылдам
өтеді екен. Флуктуацияның осы атомға келуі кездейсоқ құбылыс. қирау
активациялық энергияға тең (жүктелмеген денеде) флуктуация шамасы өте кем
кездесетін жағдай, себебі, шамасы өте үлкен (). Оның есесіне
жүктелмеген денеде рекомбинациялық процестің жүру ықтималдығы жоғары. Сол
себепті жүктелмеген денедегі анда-сонда қираған атомдар байланысы тез арада
қайтадан қосылып, қирау процесі жинақталмайды.
Жүктелген денелерде бұл процестер басқаша өтеді. Біріншіден, жүктелген
тарту күщі атомдар арасындағы байланысты әлсіретеді, яғни байланыс күшті
анықтайтын потенциалды тосқауыл төмендейді (), шамасына.
Екіншіден, үзілген атом байланыстарының қайтадан қалпына келу мүмкіншілігі
тез төмендейді. Рекомбинациялық акт жүктелген денелерде жоқ деп айтуға
болады (мәселені жеңілдету мақсатында). Тағы бір жеңілдету мақсатында,
денеге жүктелген жүк барлық атомаралық байланыстарға тең бөлінеді деп
есептеу, яғни барлық атом байланыс энергиясы бірдей шамаға төмендетіледі
деп есептеу. Төмендеу нәтижесінде , шамасына түседі
((). Олай болса, Wфл( флуктуация атомаралық байланысты үзе
бастайды. Барлық атомаралық байланыстарға үзетін флуктуация бір мезгілде
келмейді. Үзілген байланыстардың саны уақыт өтуімен көбейе түседі. Уақыт
шамасына жеткенде, үзетін флуктуация барлық атомдар байланысына
жетеді. Олай болса, үлгінің жарамдылық мерзімі тең. Бұл жобамен
материалдың жарамдылық мерзімін анықтауда тағы бір мәселелер есепке
алынбаған. Атап айтқанда, атомаралық байланыстардың үзілу барысында
жүктелген жүк үзілмеген байланыстарға таралып жүктеменің көбеюі.
Керілген байланыстың қирау активация энергиясының кемеюі мынаған тең:
- қирау алдындағы байланыстың ұзарған ұзындығы, бұл шама атомдар
арақашықтығына жуық шама;
Р – денеге жүктелген жүктің шамасы;
- жүктелгеннен кейін t уақыт өткеннен кейінгі атомаралық
байланыстардың саны.
Олай болса:
,
уақыт аралығында атомаралық байланыстың кемеюі , бұдан:
Дененің жарамдылық мерзімі үлгідегі барлық атомаралық байланыстың
үзілуіне кеткен уақыт болғандықтан:
, деп белгілеп: ; , олай
болса:
Дене жүктелгеннен алдыңғы байланыс саны N0- ге тең. Онда бастапқы
және . Олай болса:
Логарифмалық дәлдікпен деп жазуға болады. Сонымен атомаралық
байланыстың уақыт барысында азаюы идеал жағдайдағы екендігіне әсерін
тигізбейтіндігі анықталды. Байланыстардың қирауы арқасында қалған
байланысқа әсерін тигізетін қосымша кернеу, тек жарамдылық мерзім
теңдеуіндегі экспонента алдындағы шамаға әсерін тигізеді екен. Бұл
шаманың температураға және кернеулікке тәуелділігі байқалған.
Енді жүктелген жүктің барлық атомаралық байланысқа бірдей тең әсерін
тигізеді деген ұсыныстың тең деген қорытындыға қалай әсерін
тигізетіндігін қарастырайық. Реал денелерде жүктелген жүк байланыстардың
бір бөлігіне ғана әсерін тигізеді. Қирау барысында бұрын жүктелмеген
байланыстар жүктеледі. Олай болса:
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz