Атты денелердің уақытша беріктілігі

 

(2.26) шарттан шығатын қарастырылып отырған беріктілік теориясы негізінен қираудың соңғы стадиясын сипаттайды, ол кезде денені морт сындыруға әкелетін сызаттар пайда болады.

Бірақ та, қирау процесінде дамудың алғашқы стадиясы маңызды, ол кезде сызаттардың тууы мен олардың критикалық өлшем -ға дейін өсуі болады. Бұл процесс тез немесе ақырындап өтеді және өз мәресіне жеткенше белгілі бір уақыт қажет. Бүліну процесінің басталуы мен соңына жеткенше қажетті уақыт уақытша беріктілік немесе материалдың мәңгіліктілігі деп аталады.

Уақытша беріктілікті зерттеуге арналған алғашқы систематикалық тәжірибелерді С.Н. Журков пен Г.М. Бартенев өз қызметкерлерімен бірге жасады. Уақытша беріктіліктің физикалық табиғаты туралы қазіргі заманғы көзқарастың дамуын қалыптастырған да солар. Тәжірибе жүзінде дененің мәңгіліктігі , созатын кернеу және абсолют температура арасындағы байланыс:

(2.27)

мұндағы және - тұрақты шамалар, ол заттың табиғаты мен құрылымына байланысты.

(2.28)

мұндағы .

(2.27) және (2.28) теңдеулер көптеген әртүрлі материалдарда (металдар, шыны, полимерлер, галоидты қосылыстарда және т.б.) тексерілді. Тексерулер -дың дәрежесін 8-10-ға және температураны өте тең шектерде өзгерте отырып алынды. Мысалы ретінде, 2.29 – суретте , координаталарындағы алюминийдің (1), органикалық шынының (2) және хлорлы күмістің (3) мәңгіліктері -дың түсірілген кернеуге -ға тәуелділік графиктері бірнеше температуралар үшін берілген. 2.29-суреттен тәуелділіктің жартылай логарифмдік координаталарда түзу сызық болатыны көрініп тұр. Берілген материал үшін әртүрлі температураларда алынған осындай сызықтардың жиынтығы бір нүктеден шығатын желпуіш (веер) түзеді, бұл нүктені полюс деп атайды. (2.27) теңдеуден -дың байланысты еместігі және егер болса ғана, әртүрлі температуралар үшін алынған сызықтары бір нүктеде (полюсте) қиылысатыны, бірақ бұл жағдайда болатыны көрініп тұр. Шынында да, полюс абсцисса осінен ара қашықтықта орналасады.

2.29 –суреттегі зерттелетін материалдар полюстері шын мәнінде абсцисса осіне параллель бір түзудің бойында жатады.

2.29 –сурет

 

Бұл барлық материалдардың бірдей екендігін білдіреді. Тәжірибелер оның шамамен , яғни қатты денелер атомдарының жылулық тербелістері периодына тең екендігін көрсетті.

(2.27) теңдеуді логарифмдесек:

(2.29)

(2.29^/)

Берілген үшін -дың тәуелділігін сыза отырып, әртүрлі кернеулерге арналған -дың мәнін тәжірибелік жолмен анықтауға болады. - өлшемі энергия өлшем бірлігіндей және ол қираудың активация энергиясы деп аталады. 2.30 – суретте вискоза талшығының активация энергиясының әртүрлі температуралардағы кернеуге тәуелділігі көрсетілген. Осы суреттен -дың -ға байланысты еместігі және шамасымен ғана анықталатыны көрініп тұр: болғанда, активизация энергиясы максималь шамаға ие болады (), ал болғанда .

2.30-сурет 2.31-сурет

 

2.31 –суреттен болғанда, вискоза талшығы температураға тәуелсіз бірден ( уақыт ішінде) үзіледі.

С.Н. Журковтың және басқа да зерттеушілердің әртүрлі материалдармен тиянақты жасаған тәжірибелері металдардың активизация энергиясы сублимация энергиясы -ға, ал полимер үшін термиялық деструкция энергиясы -ға тең екендігін дәлелдеді. 2.6-кестеде кейбір материалдардың және шамалары мәндері келтірілген. шамасы немесе -мен өте жоғары дәлдікте сәйкес келеді.

Алынған заңдылықтар қатты дененің қирау процесінің кинетикалық сипатта болатынын көрсетті, оның табиғаты барлық денелер үшін бірдей. Бұл процестің физикалық механизмі бүгінгі күні былайша тұжырымдалады. Қатты дене атомдары периоды жылулық тербелістер жасайды. Жылулық флуктуация әсерінен уақыт өткен сайын химиялық байланыстардың үзілулері болады. Осы процестің ықтималдығы қираудың активациялық тосқауылының биіктігі және температура байланысты, артып, ал кемігенде ықтималдық артады. Сыртқы кернеу болмаған кезде, байланыстарды үзуге қажетті энергия, әрине осы байланыстардың өздерінің энергиялары. Сондықтан, қатты денелерді механикалық қирату жолымен жасалған тәжірибелердің активизация тосқауылының биіктігі металдар үшін сублимация жылуына, ал полимерлер үшін термиялық деструкция энергиясына тең. Денеде пайда болған кернеу σ байланыстарды үзу процесі кезінде активизациялық тосқауыл биіктігін -дан -ға дейін кемітеді, сөйтіп бұл байланыстардың үзілу ықтималдылығын арттырады, ендеше олардың бірлік көлемдегі санын да арттырады.

Үзілген байланыстарда субмикроскопиялық бөліктердің пайда болуы және соңында олардың бір-бірімен қосылуы сызаттардың пайда болуы мен дамуына алып келеді. Осы сызаттар өздерінің критикалық өлшеміне жеткенде, дене түсірілген кернеудің әсерінен қирайды.

2.6-кесте

Заттар	Қирау процесінің активизация энергиясы Дж/моль	Сублимация энергиясы Дж/моль	Термиялық деструкция энергиясы Дж/моль
алюминий	2,16	2,2	-
Цинк	1,0	1,08	-
күміс	2,56	2,72	-
Никель	3,48	3,4	-
платина	4,8	5,1	-
полиметилметакрилат	2,16	-	2,1-2,2
капрон	1,8	-	1,72
поливинилхлорид	1,4	-	1,28
тефлон	3,0	-	3,0-3,1

 

жоғары болған сайын, активациялық тосқауыл соншалықты күшті кемиді, үзілген байланыстар саны көп болады, сондықтан қирау процесі даму үшін қажет уақыт аз, яғни дененің ұзақ беріктілігі соншалықты кіші болады. Бұл практикада шынында да, осылай.

Қарастырылып отырған көзқарас бойынша қатты дененің қирауы кез келген кернеуде өтуі мүмкін, тек кернеу әсер ететін уақыт ғана маңызды. Бірақ, бұл кезде көптеген ғасырлар бұрын тұрғызылған тұрақты кернеу әсер ететін көпірлер мен басқа құрылыстар неліктен қирамайды деген сұрақ туады және ол жағы түсініксіз болады.

Осы жағдайда түсіндіру үшін қайтадан 2.29 – суретке ораламыз. Суреттен температура төмен болған сайын, соғұрлым беріктіліктің уақытқа байланыстылығы аз болатыны көрініп тұр. Жеткілікті төмен температураларда бұл тәуелділік тіпті болмайды деп те алуға болады. Шыны және қиын балқитын металдар үшін бөлме температурасының өзі төменгі температура болып табылады. Сондықтан, олар үшін беріктілік шегі материалдардың бірмәндік сипаттамасы болып табылады. Басқа барлық жағдайларда беріктілік туралы айтқанда материал жүктемемен тұрған уақытты көрсетпей айтуға болмайды. Органикалық шыныдан жасалған бұйым бір жыл қызмет көрсету үшін, оған түсірілген жүктеме оның лездік беріктілігінің 30% аспау қажет; жоғары температурада жұмыс жасайтын бу трубинасының қалақтарында тек олардың уақытша беріктілігі ғана ескеріледі және т.б.