2. Қираудың физикалық механизімінің табиғатын білу

Кіріспе

Жоғары беріктілігі бар және экстремал жағдайда жұмыс істейтін материалдарсыз, қазіргі заманғы техника мен технологияның, дамуы мүмкін емес. Осындай материалдардың үзақ уақыт жұмыс істеуін болжайтын әдістер өте қажет. Техниканың дамуын анықтайтын осындай мәселелерді шешу үшін, материалдардың ішкі құрылысында жүретін физикалық процесстерді түсіну керек .

Соңғы бірнеше онжылдық бойы Санкт- Петербургтің А. Ф. Иоффе

атындағы физика – техникалық институтының (РҒА) академигі С.Н.Журковтың жетекшілігімен беріктіктің кинетика лық теориясы жасалынды. Бұл теория бойынша материалға кез – келген салмақ әсер еткенде, майда жарықшақтар мен тұтассыздықтар пайда болады. Майда жарықтар термофлуктуацияның әсерінен біртіндеп дефектілердің жинақталуынан пайда болады. Бұл процесстердің интегралдық сипаттамасы ұзақ беріктілік болып есептелінеді. Ұзақ беріктілік дегеніміз материалға күш түсірілген моментен, оның қирауына дейінгі уақытты айтады. Ұзақ беріктілік түсірілген күш пен температураға мынандай қарапайым өрнек арқылы байланысады. (Журков формуласы ) . Бұл формуладағы кинетикалық параметрлер (қираудың активация энергиясы, локалды кернеу коэффициенті, экспонентаның алдындағы коэффицент) қирау механизмі, дефектілердің жинақталу кинетикасы туралы бағалы мәліметтер береді. Қирау механизімін толық түсіну үшін материалдардың структурасын зеріттеу қажет. [1, 2, 3] - жұмыстардағы кинетикалық концепция [ 4, 5, 7]- жұмыстарда дамытылды. Бұл жұмыстарда негізінен структурасы қарапайым материалдардың ұзақ беріктігінің температураға және әсер етуші күшке байланысын зеріттеді. Өнеркәсіпте көп қолданылатын, структурасы күрделі гетерогенді материалдардың қирауы үлкен практикалық және ғылыми қызығушылық тудырады. Бұндай зеріттеулер мына мәселелер үшін қажет:

1. Қираудың кинетикалық теориясы гетерогендік материалдар үшін жұмыс істейтінін дәлелдеу.

2. Қираудың физикалық механизімінің табиғатын білу .

3.Материалдардың қирауының структуралық факторға байланыстылығын дәлелдеу.

Бұл зерттеулердің мақсаты:

1. 
   Мыс қоспаларының беріктігінің уақытқа, температураға байланысын анықтау және осы қоспалар үшін Журков формуласының жұмыс істейтін интервалын анықтау.
   
2. 
   Тәжірбеден алынған осы формуланың параметірлерін пайдаланып, материалдың қирау механизімдерін жоғарыда көрсетілген байланыстың ерекшеліктерін анықтау.
   
3. 
   Осы қоспалар үшін қираудың активация энергиясын анықтау.
   

Қортындылай келіп кинетикалық теорияны дамыту үшін гетерогендік материалдарды зерттеудің қажеттілігі көрсетіледі. Осындай материалдарды таңдау негізделіп, олардың структуралары туралы әдеби мәліметтері қарастырылады.

Екінші тарауда, металл үлгілерді дайындау және механикалық зерттеу әдістемелері қарастырылған. Үзақ беріктіктің созылмалы жағдайда, ваккумде, тұрақты жылдамдықпен үлгіге әсер ету мәселері қарастырылған.

Үшінші тарауда, мыс қоспаларының (жез, қалайы және бериллии қоспасы бар қола, СИ – Мо композиті) беріктігінің температураға және уақытқа байланыстылығы зерттелді. 32% қалайы қоспасы бар жездің атомаралық энергиясын қоспа тәсілі арқылы анықталды. Қоланың және СИ – Мо композитінің беріктігінің температураға және кернеуге байланысының ерекшеліктері көрсетілді. Жез бен қоланың жоғарыда көрсетілген байланысының түзуінің сыну себептері анықталды. СИ – Мо композитінің қирау активация энергиясының күрт өзгеретін пайызы анықталды. Жалпы бұл қоспалардың қирауы дислокациялық, термофлуктуациялық механизімі арқылы жүретіні дәлелденді.

1. 
   Қатты денелердің қирау табиғаты туралы көзқарастың дамуы.
   

Орован материалдың беріктігінің уақытқа байланыстылығын, ондағы Гриффитс жарықтары арқылы түсіндірілді. Нақты беріктіктің теориялық беріктіктен аз болу себебі, жарық беттерінің су молекулаларын сору нәтижесінде, беттік керілудің азаюуына байланысты деп түсіндірді. Жоғарыда көрсетілген теорияларда, қираудың уақытқа байланысты механизімдері әртүрлі. Бірақ екі теорияда беріктіктің шегі болатындықтың мойындайды және статикалық шаршауды түсіндіру үшін уақыт факторын енгізген. Бірінші жағдайда бұндай процесс кернеудің әр жерге қайта таралуымен, екінші жағдайда жарықтың ылғалды сорылуымен түсіндірді.

2. 
   Қатты денелердің қирауының кинетикалық концепциясы.
   

Беріктіктің уақытқа байланыстылығы, механикалық қасиеттері мен ішкі құрылысы өзгеше көп материалдар үшін зерттеулер жүргізілді. Атомаралық байланыстары металлдық, иондық, коваленттік т.б. Моно және поликристалдар, полимерлер, кейбір қоспалар, кейінгі жылдары аздап композитті материалдар зерттеле бастады. Бұл жұмыстарда ұзақ беріктілік диопозонында, ал температуралық диопозоны ( 18⁰С –ден - - дейін), кейбір жағдайларда бұл байланыс төменгі температураларда, сыртқы әсер етуші кернеудің шамасы 1- 500 МПА , гидростатикалық қысым 1500 МПА жағдайында арнайы қондырғыда зерттелді. Бұл байланыс атмосфералық қысымда, және 10^-7 тор ваккумда жүргізілді. Гомогендік материалдар үшін беріктіктің уақытқа байланысты өзгеруі, зерттеулер ішіндегі ең сенімдісі деп есептелінеді.

Барлық зерттелген материалдар үшін ( кристаллдар, металлдар, пластмассалар, полимер талшықтары) беріктік уақытқа экспоненциялдық заңмен байланысқан , T=const. 1.1

мұндағы, A - =0 кезінде --ға тең тұрақты коэффициент. Оны lg графигінен анықтауға болады. =0 кезіндегі ордината осінің кесіндісі lg болады.

Жүйелі зерттеулер қатты денелер мен полимерлер үшін ұзақберіктіліктің (=const тұрақты кернеу кезінде) температураға тәуелділігін атықтауға мүмкіншілік береді:

мұнда - атомдар тербелісінің жылулық периодына жақын, тұрақты.

U - күйреу активтендіру энергиясы.

11. 
    Больцман тұрақтысы.
    

20. 
    Абсолют температура.
    

анықталуы мүмкін, ал тұрақтысының логарифмы осы түзулер мен ордината осінің қиылысынан алынатын кесіндіге тең. Кейінгі зерттеулердің нәтижесіне көз салсақ қираудың активация энергиясы әсер етуші кернеуге түзу сызықты байланыстылығы белгілі болды. U=U₀- 1.3

бұндағы U₀ - кернеу болмағаны кезіндегі элементар актының қирау энергиясы, шамасы жағынан металдар үшін сублимация энергиясына және полимерлердің байланыс энергиясына жақын.

- материалдың табиғаты мен құрылымына тәуелді коэффициент.

1.3 теңдеуін ескере отырып қатты денелердің ұзақберіктігінің температураға, уақытқа тәуелділігінің теңдеуін аламыз.

4. 
   Теңдеуін логорифімдей отырып мынандай өрнек алуға болады: lg 1.5
   

А және тұрақтыларының мәнін анықтауға болады.

1.4 пен 1.7. өрнектерінің ұқсастығы, қатты денелердің қирауы атомдық деңгейде дамйтын кинетикалық процесс екендігін көрсетеді. Сондай-ақ 1.4 теңдеуінің Арренариус өрнегімен ұқсастығы қатты денелердің қирауына кинетикасына жылулық флуктуациялардың әсер ететіндігін дәлелдейді. Арренариус теңдеуі активтелген кинетикалық процесстерді жазып көрсетеді. ( Мысалы ретінде, көршілес атомдар байланысының үзілуі).

Бұндай процесстерде, орташа энергиясы КТ тең атом тербелісінің фонында пайда болатын, термиялық флуктуациялар шешуші роль атқарады.

Бұдан тыс, кинетикалық концепцияның қалыптасуына 1.4 теңдеуінің функцияналдық түрінен бөлек, оның , U₀ коэффиценттері негіз болды. Барлық қатты денелер үшін бұл коээфиценттің шамасы тең болды, және бұл шама қатты дене атомдарының тербеліс периодына тең. Кейбір авторлардың жұмыстарында, бұл коэффицент, температура мен кернеуге тәуелді деп көрсетілген. Бірақ соңғы зерттеулер, бұл тұжырымның дұрыс еместігін дәлелдеді. Материалды температурасында зерттеген жағдайда ғана экспонентаның алдындағы коэффицентің түрі күрделі болады.

U энергиясы материалдардың структурасына тәуелді емес тұрақты шама екндігі анықталды. Металлдар мен кристалдар үшін бұл энергияның шамасы сублимация, ал полимерлер үшін деструкция энергиясымен дәлме- дәл келеді. Бұл дегеніміз U энергиясы қатты денелердің атомаралық әсерлерін сипаттайды.

, және U₀

дің қатты денелердің фундаменталь тұрақтыларымен тең болуы қирау процесін термиялық флуктуацияның нәтижесінде атомаралық байланыстардың біртіндеп үзілу процессі деп қарастыруға болады. Қирау процессінің механизімін тек қана сублимация не термодексрукция актілеріне әкелуге болмайды. Нақты материалдар классына, олардың атомаралық U энергиясының шамасына байланысты, кәзіргі кезде нақты қирау механизімдері анықталған. Кристал денелер үшін қираудың элементтар актісі, бірдей дефектілердің бірігіп әсерлесуіне байланысты болады. ( Дисклинация, дислокация, вакансия). Металлдар мен кристалдар үшін микрожарықтардың пайда болу себебі, біріншіден жылулық флуктуацияның әсерінен, екіншіден бастапқы тежелген дислокациялардың бірігуінен болады. Дислокациялық микрожарықтардың пайда болу және даму энергиясы мына өрнекпен анықталады: Мұндағы G - ығысу модулі, b- Бюргерс векторы. Кейбір авторлар, қирау механизімі түйін аралық атомдардың пайда болуынан деп түсіндіреді. Ол атомдардың энергиясы сублимация энергиясына жақын. Қазіргі кездегі зерттеулердің нәтижелері, қираудың элементар актісі, негізінен термофлуктуациялық, дислокациялық микрожарықтардың пайда болуынан деп түсіндіріледі. Кристаллды материалдардың атомдарының қирауының элементар актісі термофлуктуациялық вакансиялардың бірігіп әсерлесуінен де болады. Егер тепе-тең емес вакансиялардың концентрациясы көп болса. Бұл жағдайда, U₀ – потенциялдық барьердің шамасы сублимация энергиясына тең болмайды. Металдардың өздікдиффузия энергиясымен сәйкес келеді.

Полимерлер үшін, қираудың кинетикасы, қатты химиялық байланыстардың үзілуімен анықталады. Бұл процестердің энергиясы онша көп болмайды. Бұл материалдар үшін қираудың элементар актісі бұндай аз болу себебі үш түрлі жағдайға байланысты.

1. 
   Макромолекулаларда химиялық байланыстар тізбек бойынша ыдырайды [53]
   
2. 
   Макромолекулаларда әлсіз, дефекттілік орындардың болуынан [1].
   
3. 
   Гидролиттік қирау механізімінің әсерінен химиялық байланыстардың үзілуінен.
   

Кәзіргі кезде бұл коэффицентің табиғаты туралы екі көзқарас бар, біріншісі U₀ – потенциялдық барьерді азайтатын сыртқы әсер күшінің жұмысы , былайша айтқанда = , екіншісі салмақ түсірілген денелердің структурасының дұрыс еместігінен пайда болатын, локалдық кернеу көрсеткіші. Күрделі емес түрлендірулерден кейін мынандай өрнек алуға болады мұндағы а³ – атом көлемі, - әсер етуші кернеу. Алынған коэффиценттің шамасы атомның көлемінен 1-2 дәреже артық, сондықтан бұл коэффиценті былай етіп жазуға болады, V_{a .} мұндағы V_a- атом көлемі, () - сәйкесінше локалды және түсірілген кернеу.

Кейбір авторлар, бұл коэффицентті ұзақберіктік процесін анықтайтын активациялық көлем деп есептейді. Шындығына келгенде бұл екі көзқарастың да дұрыс екендігі айқын. Қазіргі кезде бұл коэффиценттің структураның элементерімен (бөлшектердің өлшемдері мен концентрациясы, блоктардың орналасу дәрежесі, қоспалардың екінші фазасы т.б.) байланысты екендігі белгілі болды. V_a теңдеудегі көлем 4-6 атомдық көлемге тең ал локалдық кернеудің коэффиценті ға. Қирау процесі туралы феноменологиялық зерттеулерді қортындылай келіп, оның механизімі мен табиғатты туралы қымбат информациялар аламыз. Әртүрлі физикалық әдістермен, қатты денелердің көпшілігі үшін, қираудың кинетикалық табиғаты дәлелденді.

Инфрақызыл спектороскопия әдісімен полимерлік материалдардың химиялық байланыстардың үзілгенін бақылауға болады. ЭПР әдісімен химиялық байланыстардың салмақ түсірілгенде үзілгені дәлелденді. Байланыстардың үзілуі үлгінің үзілуінен көп уақыт бұрын, салмақ түсірудің бастапқы этапында байқалды. Материалдардың термо және механодикструкция нәтижелері, қираудың негізі термофлуктуацияның әсерінен болатындығы дәлелденді.

Рентген және жарық сәулелернің шашырау әдісімен полимерлерде тұтастықтардың жыртылуы байқалды. Олардың өлшемдері шамамен МКМ. Кейбір зерттеу жұмыстарында, дефектілердің жиналуы мен даму кинетикасының, микрожарықтардың пайда болуына әсері зерттелген. Кристалдардың деформациясының бастапқы кезеңінде, өлшемдері шамамен 10 МКМ, көптеп микрожарықтар пайда болады. Төменгі температураларда бұл микрожарықтар үлгінің беткі қабатына жақын жерде пайда болады. Олардың концентрациясының көбейуі, өлшемдері мен формасын, энергиясы мен пайда болу уақытын талдау, бұл процестің дислокациялық, термофлуктуациялық екендігін дәлелдейді. Жоғарғы температураларда микрожарықтардың өсуі оның төбесіне тепе-тең емес вакансиялардың диффузиясынан болады. Ал төменгі температураларда, микрожарықтардың дамуы олардың төбесінен, атомдардың, көрші түйінаралығына өтуінен болады. Жоғарыда қарастырылған кристалдардың қирауының кинетикалық сипаты бізге бағалы, себебі қазіргі кезде де әдебиеттерде де беріктіктің уақытқа байланыстылығының табиғатына бөтен көзқарастар да бар.

Соңғы кезде қираудың кинетикасына ангормонизімді есептей бастады, былайша айтқанда атомдардың бірге әсерлесуінің заңдылығын. Сол авторлар атомдардың бір бағыттағы тізбегін қарастыра отырып және ангормонизімді есептей отырып потенциалдық барьердің өрнегін алды

1. Мыс қоспасын 0,1 - 0,2 мм қалыңдыққа дейін валикпен езеді, содан соң оны арнайы кескішпен екі жағын күрекше формасы сияқты етіп арнайы кескішпенкесіп алады. Үлгінің жұмыс істейтін мойнының ұзындығы 22мм, ені 2мм. Кескішпен үлгіні қырыққаннан кейін оптометрде қалыңдығын дәл өлшеу үшін шлифтелген пластинканың астына қойып 30атм қысыммен үлгінің бетін тегістейді. Прокаткаден кейін үлгі бетінде қалатын майды бинзинмен тазалайды. Үлгінің структурасын тұрақтандыру үшін рекристаллизациялық термоөңдеуден өткізіп, өлшемдерін оптометрмен дәл өлшейді. Барлық үлгілер тұрақты кернеу режимінде зерттелді. Тұрақты кернеудің дәлдігін ұлғайту үшін Санкт- Петербургтегі А.Ф. Иоффе атындағы Физика-Техникалық ғылыми-зерттеу институтында жасалған рычаг типтес қондырғы пайдаланылады. Қондырғының құрылысы мынандай: Улитка осьпен бірге істелген, ось подшипник арқылы горизанталь металл плитаға орналастырған, ол оське дөңгелек шкив бекітілген. Үлгі орналастырылатын қысқыш сым арқылы шкивке оралған.

Үлгі қысқышқа орналасқан соң, улиткаға ілінген ыдысқа су жіберіледі. Судың салмағы сымдар, улитка, шкив арқылы үлгіге беріледі, кернеу белгілі бір шамаға жеткенде үлгі үзіледі. Үлгінің үзілген жерінің қимасына, түсірілген күшті бөлсек, үзілу кернеуін анықтауға болады. осьтің шетіне стрелка бекітілген, ол осьпен бірге үлгінің деформациясына байланысты бұрышқа бұрылады және айналатын барабанға созылғыштың қисық сызығын сызады. Барабанның айналу жылдамдығын біле отырып, үлгінің үзілуі үшін қанша уақыт кеткенін анықтауға болады. барабанның айналу жылдамдығын аптасына бір айналымнан, 10с 1 айналымға шейін өзгеруге болады. үлгінің бір қысқышы металл сым арқылы шкивке жалғанады, екіншісі каретаға бекітіледі. Ол микровинт арқылы жоғары, төмен қозғала алады. Микровинт резьба арқылы металл цилиндрге бекітілген. Ал цилиндр горизонталь плитаға бекітілген. Металл цилиндрдің ішіне үлгі бекітіледі, қасына термопара орналастырылады.