Zborník obsahuje s t r a n y täi. na Škole fyiíiky a techniky "r,ízkyck teplôt v ttf* teaibrl 197* * Tatranskej Loanicl. Roesaň píaanébo bol obmedifný uapokladateToa ákoly, a preto atate obenhujú len, Bákladné poeratky a všeobecný M o danej téae. Výber té« bol obmadeenj ranovým trvanie sko).j a nevyčerpáva celý odbor fysiky a techniky teplôt. Okrm prednaSok boli xvoleoé téay diakutoviné ha aeaiBarooh. ' - ' /', '' Vybran« témy školy nad^äsu^ú Ba progréc Júcich Sk6l fjsiky a teobnikyniakých tepWt, k*4ir4 11 uaporiadané f roku 1970 TÍ Itibliolaoh • v rokm j Orliku. ' " . • •' \ Uepori«dat«ro« Sfcoly fysiky a techniky aiakycli *«-,. plOt bol Elektrotechniky ústav SAV, Bratialar* a k» SWS pri Slakirot»cblickoi!i ůatave SAT. „
. Ladial*-* Ceanak OSc. za Organ! titíní"
°
I
í.
•v
a
' : /« •% :"•, x ľ
» h e l i a 4 , fieJia 3 \ n í j e j i c h l A f l a v S a f r a t n , Ústev
//.. 4 . Kapalné smř"-' he li,n i a hť 1 i al!l73r ,,/ // 5. Pevné h^lluri A ,-j hfijmin 3 Zdklailni i i t e r j t u m
, // /
° ,,
1 . Uvocl Výrkum i-1 i b l l n ! >
iz<.>tooi1 •"=>.'i ,-<., podstat r»ou Čé«t fyziky fííz/epiot. Fy.^ka knpolrnno' > pevnjsho helia je moderni fyzikou f v p\;n kvnr.tových déjů v Cakroaka5^ " jjnýcM krtijŕilin a í'pevriych létsk Je kvantbW nulovŕ onergie zanedbatelné vé srovn/ini s onergieni, které >• op l e t -
^
/
to
'í
-T
Q
ni'j% při vytv^ře^í j e j i c h vl&aífosfti. U izotopů helia mílová erverpVeva^uje v tvlizkosfi pbn'ol'Jtil'i nuly ťeploty-x jak potenciálni - ŕ f n soustavy dttimó, dč.nou p ř i isžllvými van der Waslsovymi »i~ tin, tak energii tnpelnéli^ ponyb'ix-f^n způsobuje, že oba izotopy s r á v f j i kap.Slne pod tlakfifi r.výdh nasycených par až k absolútni nule teploty 5 . Procoíp nulov.i oneayie je nepřímo úpěrni hmot* at,a« • u , má kondenzovaní* ne] mm .3 niásji h u e t o t u než kondenzováni fáse 4 a má n\í;š"i hodnbvy v\ tepla a kritické teploty a I naooak vyšři tiak nasycených •I pří stejné* teplotě. helia velmi podobné. V kapalném 5tci,-u p ř i vyáóich Toplothljli (v ;:|f:v. kvoziklasické* přiblíženi) (iiEijj také k v a l i f a t i v n í -óhctínó »'y|iKálni vlsstnosti.^ Při nižších tepiotiich (u" He4 po
•
.
.
.
-
.
-
,
ke statistice jej určena různými Járiry obou obou izotopů se v blízkosti abstóií-í n í nuly tŽÄ>l*%f }Mr*t* podstatné 1141 M JSOU také teoreticfcý^3«*RováTty ]ltt»k. f r é -iku je mimořádným ě t ě e t i * . že jediné dvé znaná kaa>*Uny, ^ í c í v blízkosti absolútni nuly teploty (kde se výťtzWt a poměrně snadno experimentálne /.oumajl kvantové j e v y ) , **JI ***>• y se shodnou stavbou obálky a p f i t o , se l i S i fyzikální ou. 3e proto pochopitelný veliký v..nn*i fyziky helia, v h i s t o r i i ss vyskytuje řad* výbuchů t.vieriíM-ritáini a teoretiefcá a k t i v i t y , spojených a objeve* SUT*4 tokutosvii He4, a v f r t w é * W vlostnosti He3, se studiem virOv truktuQj- He4, se stndle* a > u ž i t i * vlastnosti směsí He3 - He4 o konečně v souc**fté d*b* • jeve* nových fázi kapalného Ms3 v bezprostřední blízko*ti óbs*l«tni nuly. °
« \ il
' "
t
1
(
í
o
-
:.;;
.
r
•;. .ij i ", , yy
_ °
i
'
:
2. Kapalná helium 4 •'
i V, Vili'
11
U ofoou izotopů Jsou v rukou experimentátora teplot* a t l * * ° Jako ovladatelné parametry* u helio 3, jehož vl*itn«*tj. v «4>l**tl platnosti r D statistiky jsou v p o s t a t ě určen*' •to**v4»lf'lí'|ésíryj' s nenulovým splne* a Magnetický* momentem, přistupuj* fc tfeftt* (tarameträ* ještě magnetická pole, jehož použití značně f o f f i r t i j * možnosti výzkumu tphgí=á^izotopu. K indikační* metod** */rl*me*»|* navíc u He3 jeětě cenná metoda jaderné rezonance. "
; 1
v ,
*
°
" Kapalná heliu* 4 ee chová v okolí normálního bodu vana ]•«* hustý plyn klasických částic bez Speciálních kventovýe* e***rafct»r i s t i k . Při tsplotě 2,17 K věak v něm dochází k náhláM or*otie
I
o ,>
- 5"'-/
.
^ Lantiíw vytvoril po Kq^icavě ofejaw fBn«e*iw>le*ji«fc#« * * * - r i i He/IX, V nt* vyefcézl x« specielního tv* • '! !| / "I
!
Z daného tvaru otargetického spektra a e poutitit» vaci funkce BE typu lze formálně odvodit tzv. dvoueložfcoVoo toor i i He I I . 3»jím základem jsou tato tvrzeni. He I I j« tloiaito n dvou složek - normálni a eupretekuté, které as vzájemné, prowikaJ l . Hustota Ha XI jo dána souct»» hustot normálni k supratektit* složky. Suprstskut* složka má nulovou viskozitu a intrropll, * 0 timco normálni složka Js nos i ta lam cele entropie kapiiifiý a l J i né vlastnosti má zcela "normální", Rozděleni Ho I I rlri i supratekutou eloifcu mní rsálnd. 9a jsn«Ji názorným jtivip^ni lem, v nÔ»t normálni složka reprezentuje "plyn" ex^íteV charakterizuji pohyb celého souboru viech at0*0 holla. kovy model byl v*ak velmi %p*sný p ř i vysv*tlov*f)i různ^ rimentá a předpovídáni nových Jevo v Ho I I . 21 hydroth úvah předpov#dSi Landau např. existenci druhéh>> ;e,yuku v/HB I I a závislost rychlosti Jeho siřeni na teplotě. oJuh^/äívukí kífarý Ja vlnovým š í ř e n i * teplotních amen v He í l , bylJxparimeniáln* nalezen Peäkovem, který jeho existenci i vla» vytvořením stojatých teplotních vln.K.-. " "
ukézal
I I ixtstuZ expariwentálniho materiálu vyplynu e víirbvé vlákna je j e s t * d á l i l drwh excitací - virová vlkikfíně t» y j j j jako rotační pohyb etowo h e l i a , ktarý ja k+antovén. Rotující nádobka • Ha IX ja napi1* protkána soustavou !/iro>ých Zajív yvláken. / mavá je analogie tohoto kvantového stavu s Abríkoscýoyými virový»i vlákny v sapravodlčich. íj O vysvětleni tvaru energetického spa
X!
" ?Y
- 6 *.
9
» 4
\ •'
spektre voliíýctt Céntlc ( f < e «c# y. u
4
e -••- p i2,» ) na ehaf^cteř ,*f
ŕ-.
Fyzikálni pétfaťata přechodu v bodě je do»u^ tem úvah. I ktfyf Je tento přecnod blízkou m í i ak pozoruj»»e přechodnou oblaet a p ř i teplotách nižalch n«,z 0,05 os v plne «lře na Viech vlaatnoatach He3 projevuje PO kvantová • t n t i e t i k * . Vlaetnoeti He3 Jaou v tomto teplotní* oboru Vvalítatiýné analogické vlaatnoětom dokonalého Fermiho plynú. U dokonalého Perniho plynu Btejná huatoty, jakou má He3, a u He3 v kat»fllnei» otaVu z á v í f i řada vlaatnoatl atejně na teplot*. Xapř. epecífické taglo ae m*ni a teplotou lineárně, č i n i t e l tepelné vodivosti ae mění jeko 1/T2, viakozita jeko l / t a magnetická jaderná eueťéptibilltanazáviei nm- teplot*. Činitelé Oměrnoeti v těchto vztailch jsou «ic8 té°ho£ řádu, jako u ideálního plynu, j e j i c h velikotH Je véak podstatně odliiná. - ., •* \ • o'\!(ľ ' v Východiako nnlezl Landau ve vytvořeni teoris Ferm|ho kapaliny, v niž vy a tupuj i elementární excitace, Jeá jeou jedVio-Jednoznačni přiřazeny atomům He3. V t e o r i i jaou uváleny interakce mezi ctomy, jež zpúeobl, ie původní rozdělovači funkce, platná pro eoúbor volných Fermiho čáatic, je nahrazena e l o i i t e j í í rozdělovači funkci, v niž je obeazeni každého etavu urCeno níajen příslušností k danému stavu, ale taká stave* obeazeni yěech ostatních atavô. Tato teorie poskytuje kvalitativně stejnó zAvisloati vlastnosti kapalného He3 na teplote. Jaké by mely tyto vlastr.oeti pro ideální Fermiho plyn. Vhodnou volbou efektivní hmoty kvazičástic lze doeáhnout 1 úplné kvantitativní" anody;
A -•
7
-
Nejaktuálnější problematika He3 l e ž i y miníŕílvinoyé o b l a s t i , kde byly p^i teplotách pod a,6 mK objevený suprateifuté fáza H»3, j e j i c h ž existence byla prokázána «fřenim specifického t e p l a , viskozity é^e^»lného odporu* T e o r e t i k y výklad supratekutosti Ks3 vychází x Bardeenovy, C o ^ i r u v y ^ / j c h r i e r f arový ^teorie supravodiv o s t i , která j e zobecnená pro přepad párováni částic » nenulovým relativnou momentem hybnosti, p f i Kterém může ww.i atomy He3 pů-
sobit p ř i t a l l i v * interr 4 -^4. Kapalné, směsi helia 4 , Při teplotě nod 0,87 A mflia existovat aněs He3 a Ha4 s l^r boyolnou koncentraoi Ha3.' -Př\ nižších teplotách existuje oblast zakázaných koncentraci, Jejlelž interval se rozfiiřuja « klesající teplotou. Při. nulové teplote iluze např. existovat bů3 °Jea úplně koncentrovaná fáze He3 ( t j . ťé«ěř„ čistá He3) JI abo, Mze zředěna s koncentraci He 3 od O do 6,4 %^, Existence nervliloyé-končen t řece Ke3 v He 4 p ř i nulové \eplotS Js\ podmíněna tljn.rže atomy Hs3 jsou až do koncentrace 6,4 % s i l n ě j i vázány v He4 než ve vlaetnim Ha3. Této okolnosti vděčíce za možnost; získávat teploty až 3,6 mK rozpouštěni*! Hs3 v He4,!přičemž se•vtu*iyál"výpornoho" tepi přecházejícího rozhraním a. koncentrované fáze do fáze zředěné. 4 i He3 jsou fyzikákně zajímavé z dvou hleWsek. Smfisi 4, Předně, helium 3 přispívá ve směsi k normální složes zvyšuje tepelnou kapacitu, He4 (pod 1 K je příměs Ha3 prakticky je-„ dinyn noaitela* entropie a zvyšuje Mnohonásobně pOvodnispecifier ,. ké teplo He4) a protože se jeho atosy odlišuji odatonÄ He 4, zvyšuje počet center pro excitace v He4. Z toho důvodu např. 1 nízká koncentrace He3 značně T Í Ž U J Í viskozitu, tepelnou vodivost i absorbci zvuku.-He4.j i
° •' >
il • í" i
o D
*
'
"=
u I °.'i " Za druhé j e možno zkoumat na fle3 rozpufttěném v Hc4fSjak se uplatňuje v l i v z e s i l u j í c í c h ae interakci p ř i stoupejlei koncent r a c i He3. Ve velmi zředěných aměsich tvoří soubor atomů Ha3 . i d e á l n i řermiho plyn bez i n t e r a k c i . Atomy He3 ae pvěem muai protlačovat p ř i *vém pohybu meři atomy He4, což se projevuje zvýšením e f e k t i v n í haoty otoaa He3. Enenjis atowa He3 «é tvar f . pfém*.°ká» e f e k t i v n í hmota m * j e p ř i vysokém zředěni 1 , 1 4 ^ . Vlastnosti saoal He3 - He4 p ř i koncentracích He3 do 30 % pří všech
•°
\
I: •
f
:•,,
i- 8 -
"
k
"Ä^;
teplotách po^bodoi la»bda!je možno uspokojivě vyložit na z4kl«dě Modelu s l a M irtt«r»;gu Ä ezi it<wy Hi3 plynui Interakce mezi °J4JOU vyjádřeny ve M ^ h pro ídeálnío plyn, xémšttov hsjoty »to*u He3 na i; hwbťb ^kvaxiíéttic*, která mé hodno, tu 2,34 " 7 ^ * pro l i e i t n i nuloyž^korifciíWtraci a doaafóje hodnoty 2,84 f ^ j p r o koncentraci He3 30 %. Výklad vlastnoeti směsí v b l i i kotti 100 % koncentrace He3 je zplozen na modelu plynu čáetlc M»4, podřízených Boltzaannově e t a t i s t i c e . ; 6. Pevné He4 « He3 Pevné He4 existuje pri tlaku vyiíim ne2^24,952 atm a pevné He3 nad 29,94 a t * . Pevné H»4 bylo zkoumáno do tlaků 14140 ata a ieplot 77,3 K a pevné He3 do tlaků 3SO0 atm a teplot 30,633 K. Pevné heliu* je stlačíte l n Ä j í i , než j iné pevné látky. Vittnu objemu o SO % lze dosáhnout tlakem několika set atnosfér. Pavné°heliua je tady Mino studovat v iírokťm rozsahu Molárnier| oeje*4 Fázové ciiagraay obou izotopů V pevnéa stavu Íjsou velni V obou se vyskytuji tytéž krystalické struktury (pestup bec. hep, f c c ) . Oebyeova tsplota ^u obou ixotopfl měni od lcJ^K do 100 K v závislosti na molárr ia objsMU. Zejaéne He4 se chV>á rs- ; gulárni jako ostatní pevné étky. Hiniaua na křivce f a n l l j * p ř i ''; teplot* 0,775 K « tlak vzroi te od hodnoty niniine k nulové teplo- ' ti o 0,008 ata. Záporné e**r nice křivky táni v to*to tepíotnli '• intervalu souvisí s v y i i i sn ropil v pevné f á z i , kde existuji, kroe4 podélných typo kmitá j i t * dva typy přlené, zatiacó|v kspalné* He4 M aAia S i ř i t jen podélný typ vln. Entropie v obou fázich je viafc p ř i těchto tspl tách vslai malá, odkud vyplývá 1 valmi *alá hodnota aaěrnica křivky táni. U He3 Ja Minimu* na kř vce táni p ř i teplotě 0,318 K. Tlak na křivce táni atoupě p ř i sn žováni teploty z ainlaélni hodnoty 28,94 ata až na tlak 34 ata. Tento průběh křivky táni souvisí a t i a , žs atosiy Ha3 jsou v p vné f á z i vice lokalizovány než v kapalinft, j e j i c h vlnové funkce se aálo překrývají a pevná fáze *á • plnou entropii neuspořádané ouaťavy Jsderných spina, zatiswo v kapalněli He3 j»ou Jadaftt* ilpiny uspořádány antiferroaafnatioky uplatnenia Pauliho principu. Interakce aazl Jádry He3 vedou vlak i v pevně 11x1 k* spontánni**! uspořádáni, j e t sa dřivá povalovala za antifarroMflitatj,eké a Máslovou teplotcu T „ * J s K . Najna-
vijií měřeni určuji teplotu tohoto fázowého přechodu 1,17 mK a' oteviraji nové póla, dojiadô o charakteru^ tohoto uspořádáni. Velký rozdíl entropii pevné • kapalné fáze fá3, tzv. Pomerančukdv jav,!, umožňuje ziekávat teploty až v okoli 1 mK adiabatickým stlačováni* kapalného He3 podál křivky táni. •^s - ="c = Pevná směsi He3 a He4 umožňuji studovat vlivy primesi v Jinak dokonelýeh krye tělech na různé fyzikálni vlastnosti. Při teplotách pod 0,39 K docházi i v pevný|h smčeich k rozdélsni fází, přiCamž při nulová taplotě mohou vedla sebe existovat Jen čieté kryatalky obou izotopů. Děleni fázi probíhá v pevném stavu a je * poměrně rychlé,je-li tlak blízký tlaku táni směsného°kryatalu. Obě feze exletuji po skončeni děleni vedlo seba patrně ve tvaru •hluků atomů aa dvěma odlišnými vnitřními koncentracemi.
6. Závěr ' ,
L^
a
Nejaktivnějěi oblasti sQ>u6asné| fyziky helia jsou výzkum supratekuťých fázi He3 a j e j i c h t e o r ^ t W ý výklad na základě zobecneného modelu supravodivosti, výzkum^mechanizmů uspořádáni Jaderných apinů v pevná fázi He3, výzkum směsi He3 a He4 zejméně v pevné f á z i a výzkum virové atrykturv He4 vcetrné Ooeéphsonovýoh jevô v h«>liu. Výsledky studie suprateltutýéh fázi He0 jaou ui i tečná i pro iítplikace v aatrofyziče a pro dalěi rozvoj teorie auoravodlváho at»yu, výsledky studia pevných emeai Haä a He4 mají velký výx«a« pro obecnou t e o r i i kvantových krystalů. Celkem j a možno chare*ťa- o rlzovat fyzm»j haSia j a ^ vědni oblaat významně p ř i s p í v a t e l k poznáni základflioh přírodních zákonltoatl a vytvářející vědweká základy rychlá M rozvíjejicich aplikaci nízkých teplot v jiných vědních oborleh, technice a dalěich oblastech lidské a k t i v i t y . ° u
0=
a
I
cf>
-: 10 -
Základni literatura °o
„° <
=
;»
^ Q
1 . Keeeea ». M.» Heliu*. Heavier, ^ e t e r d a a 194S. % doplňky f . M. U f l l e e a (Rue*ý arekle* -. Keezo* V . j i . L. AnaYonlleeylli. Xzd.=ine»tr. , Mo«kva t . Lon*m ř . t Superfluide, v o l . IX - Haeroacoplo f l u i d he H U M . Sehn Wiley,, Nm Yor* 1M4 a Oov«r •w»U*atlon« ( New York 1984. 3. dandeleeohn K. t Liquid hellwa m tfadbuchi dar Phveíkj Sand XV, °KSltet»hy«lk. 8prlng«r°, Berlin - olttlngen - Hei*elberfl 1966, o e t r . ^TflufBl. >J
l
-' ô
/•WaaV^al) aft JefttVlakft . IÉWIÍJÉM \ *«*«•* If * "íl/laří 4 A « 1 4 4 4 aft al4 B Í L . \nv8^8t^ BjTwHJŕWQ ** m i f f w A w j t i *%• * * * O P S * J g v j x & j A I T • *v**?*ei
teaperetwr. XŇe^* A. X. l a l ' n i k b v l ) Xzd. inoetr. l l t . i M e e k v a 19B8, a t r . 4. Wilka O.i The propertiee af liquid and »olid helltra. Cleren*jn Vreee, OKforit 1967. "' , = 8. Kallar W. i . t Ha'Uua 3 and Hallu* 4. P l t n M Prěí»,
6. wllke O.i An introduetie« te * OKfwNI 1870.
Naft' Yark
hallual, Clarjpiwi
7 . Ch«l«t«tlwv X. M. i Taorlja avare*takt»6aati. Xzd. Nauka, ^ 19T1. "• . ' 8. Triek*f 8 . 6 . , Kirk W. »., Aiaaa E. 0 . t Thar«odyn««l«, a l a a t l e , ami MKjMtl* aropartias of aalid heliími Hav. t%ó. "fcya. 4J> (1878), 888-718.° ' 9. l a a ľ a a n B. H. «t a l . i Raatvery kvantových židfcaetej , tteakva 1873. ». 9.1 SuparfluM ., A M U N M 1974.
0
111
í l
- IX -
Vlastnosti hslia ddležíte při exp«ri»«nt«chľ 0. >ruMk, 6stav jadarn* fyziky" &SAV, 260 68 Í5«ž
•ŕ »
Obsah ' . " ^-~1. Úvod • a- '« . ^ 8. Zvláštnosti h s l i s ' ° „ ^ 3. ZdroJ« Ksiia " °u „-••'", 4. Tlak Jieeyešftfeh s«r y ,, ; ;; . "„ t, s . Hlm4 tspls a sntalpl* ° 6. Ztráty kapallity při o«*iUcovénl . 7. Hustota . ° °, „ '* • a. Přivos* Mplt do kapaliny i 9. 3»<*n*fac*v* a sVwifázovs pirstSděnl hslia 10. Tspslntf vsdiysst ' 11. Zacházsnŕ s kapalný* h s l l s * "
Nszi kryossiw»i«i kapalinwi, k ni«l petitas* ars«k»v«ifli kyslík, dwslk, nssm« vsdlk a hslivat, zaMjtaÉ psslsonl z nicH[ nawné pestévani. o Prs názornost kalitleh valiftl* (oor. 1 ) . 901
^ ••' - '
i
^
'
°—It
"VHTS
istíte?
ss
2. Zvláětnoeti helia Kromě velmi nízkých hodnot teploty! varu, vyparného tepla, hyst:oty vroucí kapaliny a kritické teploty a tlakuomá 'helium jeětil ri|kter* zcela „výjimečné vlastnosti. "Tak např. u helia něexietuj% írojný^bod a pevná fáze %e vyskytuje Jen při tlaku vysěím® ^ než 25 aťm u He 4 a 29 atm u He 3. Izotop He4 přechází navíc při teplotě 2,17 K do supratekutého stavu. Vzhledem k charakterlstic kému průběhu měrného tepla V závislosti nal teplotě v podobě pišmene A (obr. 2) nazývá se tato teplota A - bodem. .
'S-
J»-
1"
0=5
Obr. 2
!•
Měrné teplo helia při tlaky nasyce' ných par Q
til-
i r, '•>
(•4
j
1*1 ,T
'
O
,
a
Typickou vleDtnosti helia p ř i této á nižěi teplotě Je prudký pokles viskozity, který se projevuje výrazně zvýěenou průtoinou rychlosti tenkými ětěrbinami (10~ 4 - 1O~5 cm). Přitom viskozita nezávisí ani na délce itěrbiny ani na tlakovém spadu podél ni a závisí pouze na taplotě. V o Supratekutost j e dále provázena tzv. termomechanickým a m^» chanokalorickým, efektem. První z nich je p ř i experimentech pod a . l ^ v e l m i dfliežitý a projevuje se tím, že supratekuté složka halLa se •nail pohybovat vždy eměrem k vyěěim teplote* a to 1 p r o t ^ pAsob«r>l gravita£ni a l l y . Praktickým dOsledkem je vytvářeni •uprittaktitého heliového f l l m i na stenech nádob nebo t e l e * , ponořených do aupratekuté kapaliny, podeí nichž existuje nijaký teoelný gradient. Touto ceetou dochází často k nežádoucímu transportu kapaliny •airaa k v y i i l a teplotám. 8upratokuté haliua aa navíc vysnačuje mimořádně vysokou t e pelnou vodivostí, ktaré m«že až lOOOfcrát přeeahovat hodnoty tapelné vodivosti mědi a některých kovo p ř i pokojové teplotě. V dtelaaV
"/ľ
,'
<0 'II
*
ti
m •;
- f' °
^ p-Pi re* 1c n£S*ftm t*pldt*n dochází n«př. k viditelnému wkli«i*ě«i vwru kapalného helia v nádobě, z niž jsou p ř i snižováni teploty odčerpávány ° heliové píry. • 3. Zdroje 4-\ á ,
•H-
k
' 4lelium jií plyn chemicky zcela néte^ný^ Proto ja mu dávána často přodnoet před vodíkem, i když se jedna 6 'aplikace v teplot» ni oblasti, kde by, byl vodík ják«|5'kryqgénnl "látka použitelný a '; s ekonomického hlediska dokonce dalako výhodnější. Helium p a t ř i , 'l * mezi vzácné plyny, Oe dodá víno o Čistoto 96 až 99,995 ^'v ocelových lah^ich etalČená^na 150 až4225 kp/cm2. Diky objeveni řady naleziěí zemních plyniĎ, bohatých n* helium (O,TB až 0,7 molS^He), klesla cena izotopu He4 natolik, o že je v^nekterých" případech lsvQ n * 4 ^ i pracovat v otPevřenám než v, uzavřenémcvklu. V taková m uspo- • oo řédanS Je helium ve Velkém množství oddôlovino rř zkapalnováno ,., v bezprostřédníi blízkosti nalezlotě, dopravováno v'kapalném et»vu •jf spotřebiči a po odpařeni výpeuitěno volně do atmosféry. Přitom odpadá celý komplex zařízeni na vedeni zpětného plynu, jeho s t l a čováni a irové zkapalňováni. V USA byla celková těžba helia v r. o 1970 okolfltao.io 6 Nm3 a z to'hOgStí Q 1 0 * bylo použito pro^krýogenn i účely. V nedávná době byly odkryty velké zásoby zemního plynu, bohatého na helium (0,4 molSr*5) v Polsku. Óeitě v r. 1974 má být f zahájena těžba a produkce kapalného hélia, která by měla dosáhnout ročního objemu 4.10 6 Nm . Projekt vypracovaný a realizovaný anglickou firmou Petrocarbon Development Ltdi v Polsku předpokládá distríbuci levného nevratného kapalného helia po celé Evropě za volně eměnltelné valuty; • Izotop He3, který byl před několika desítkami l e t pro běžnou laboratoř zcela nedostupný1, vlastni dnes j i ž řada ^ryogennlch pracoviěí. Ve erovnáni a He4 j e cena l-!*3 stále j e i t ě o t f i až č t y ř i řády v y i i i . Ziskáváno je jako konečný produkt p ř i redioak-
tívnim *těpenl tricia, jen >ž poločas rozpadu je 12,5 roku. Oodáváno je v lehkých ocelovýc t lahvích při tlaku nižšia než etmoefe™? rické*. Používá ae zatim jen v laboratorních podmínkách v malých, uzevřaných, dokonale těsiiých systémech.
|
^°°
"p
tla&w* par nad kapalným je =pŕearjá-závislost,,, která byla kabelována * 1958 jako mjsiinakoánj. stupnice, pro měr„eni'teplot 5 o cbz odpovjtdá\řiállám od3 l f S34jř.l0~ ' doj 1744 ,,290 ,torr. Obdobn*\by=la ; přijalo vír. 1962 V)ako 'me?ípórqdni taQloťni stupnice závislost, tlaku par Ha3 na teplotě v rozsahu mezi 0,í> f>"3,325 K, což odpo*> vidé tlakům od l,2l\lO~ 5 do 875,1 torr. NefníH% teplota prakticky doéahovaíbá^prostýp odčerpívánim par z kapalné láznjJVJe u H«4 ' ' K ^ t a ä 0 3 K|Porovnánic závislost h yMaku par Hs4 a He3 na
Obr. 3 Tlak par He3 1 ' o a He4 v závislost^ °na teplotě'1
•5s
•ía,
O
••a
5. M»rrtá teplo a entalpie l
€
'• \ c= ^_ Při ochlazováni z pokojová ťf* haliovoú teplotu je^nutná j*out pomoci kryogarínl kapaliny tepelný oboah ochlazovaná, aoočáa. t i . Potřebné' «notstvi kryo«anni kapaliny je závislé na hawtnoatt a w*rnáa tepla dancííoučásti a na způsobu ochlazováni. Pokud by. bylo k ochlezeni využito Jan vyparnáho tepla helia: byla by
Zí
=• ; p ,A
*
o'
./
'í
j,
^ ^ » t f i l ^ „ * * l * t t l . * l ŕ i ŕ «• ŕ sekrét a 0 f š t i p k y , asi SWtrit s«*tí° «ÄÉ . ' • k d y b Y ^ f ^ ä » r l l 0 4 ^ v é 8 t Cést tepelného ob«aho z och lisované"1 c ; jioufiéttí do obcházející ,páry na vrub zvýšeryí J e j l enťalpie. Oeit° l i z e by navíc obylo použito k "předcházení součáotV kapalného duo síku, k ls« la by •potřabl2'kapalného helia na^ochlazfni ještě asi 7krát. S těmito poznatky je nutno počit8t j i ž při"navrhováni kryo•tatů a ž a j i t t i t pokud možno nejlepší tepelnou výmenu a využiti jak latentniho tepla kapaliny, tak i entalpie páry v průběhu ochla° zaváni. ' ,o -" "° .° •' , i" o
,
6. Ztráty kapaliny p f i ochlazováni
°
, \
=
° Dalšího ochlazení lze dosáhnout snižováním tlaku par nad kapalinou.,K tomu» aby klesla teplota kapalné lázně za 4,2 K na 1 K, je zapotřebí vypařit a odčerpat přibližně 1/3 jejího celkc- ' váho množství. Při těchto teplotách je měrné teplo kovů i nekovových pevných látek o 3 až 4 řády nižěi než měrné teplo kapalného helia a proto není obvykle nutně e ním počítat. Ke ztrátám kapaliny pod A - bodem Je věak potřeba přičíst množství helia, převedené eupratekutým filmem do čerpací'trubice, tlouětka filmu «ni rychlost jeho pohybu ae pod 1 K j i ž téměř nemění a lze tedy počít a t , že množství V supratekutého filmu je přímo úměrná smočenému obvodu 0 /cm/ podle vztahu o s ,
c
/
,
,
;
.
"
°
•
V - 0,87 O
/cm3/V °
7 . Hustota Z poměru hustot' vyplývá, že množství plynu p ř i normálním tlaku a teplotě, vzniklé odpařením 1 l i t r u kapaliny, vroucí p ř i tlaku 780 torr, Je 700 1 u He4 a 436 1 u He 3. Pára. ngřzxszt sytosti má u He4 87krát a u He3 186krát meněi objem než plyn za normálního tlaku a teploty. - J S. Přívod tapla do kapaliny
•
:;
»
„
Nedokonalo*t tepelné izolace nebo j i n ý tepelný prikon p ŕ i vidéný ůtt kryMtatu • kapalným heliem způsobuje trvalý, vice Ci méně i n t e M l v n l v»r kapaliny. Na řoíhrani maxi stěnou a kapalinou 0 aa vytvéfi pán I M I I V* formě bublinek nebo souvislých vra tav , ktare se adtrhávají • postupuji k hladině kapaliny a d i t ^ zvýšené
-.
- 16 -
, -o
energii přefcemáVaj i U e J i- 4>ovren\Wé nspeifis kapalina p»k ópoůítěji ve feri»i,př**íř*t* p*ry'v Intenžiťi tepelného toku rozhraniu závisí ověem~ značně na tout, zda jde o přestup kapalná fáze a jaký je přitom gradient teplot nou plochou a kryogenni kapalinou. Součinitel nabývá podle toho Hodnot od 300 do 15000 W/m2
do plynné nebo do /> 7" mezi teploaaěnpřestupu tepla oc K. .\
l
9. Oednoféžové a dvoufázová prouděni helia ŤJ
U přelávscich trubic j&řiatupuje navíc faktor rychlosti prouděni helia, který určuje jednak dobu styku kapaliny s teplou stě- = nou a Jsdnak typ prouděni (mlhové, pulzující, vrstvové, bublinová)* Rychlost prouděni Ja tóna tlakovým spaden mezi oběma konci trubica. Oiky nizkámu výparnámu taplu helia s«tkáváMe as u pŕalávacich trubek prakticky ve věech případech s dvoufázovým prouděním helia. Pro lané provedeni přelé.vacjl trubic* existuj* jednak optimilní tlakový spád, p ř i ktaréif/je dopravní účinnost pro kapalnou fázi maximálni, a jednak m/|íi«iálni tlakový spád, p ř i keerám ja dopravní účinnost větěi než^nula. o O jednofázovám prouděni sa dá u helia uvažovat jen tenkrát, J e - l i v nadkritickém stavu. ijV takovém případě nesxistuje kapalná fázs, což značně zjsdnoduěuja některé úvahy souvisaJící a chlaranim. Hustota helia a tím i intenzita uhlazeni je přitom značně vyéěí než byla u páry o táže teplotě za normálního tlaku.
°
10. Tepelná vodivoat Extrémní hodnoty u helia lze pozorovat i v tepelná vodivoet i p r i nízkých teplotách. Pod 100 K je tepelná vodivoat helia vyěě i než kterékoliv jiná kryogenni kapaliny. 8 výhodou ae ho proto používá jako výměnného plynu ke zprostředkováni tepelného kontaktu p ř i nízkých teplotách. 11. Zacházeni a kapalným heliem Aekeliv j e helium eemo o sobě natečná, nejedovatá a prá«e a nim j e xeela ••zpečn*. j e nutné zacházat • n i * padl* urfiitých praviéel. V t f l «ezi ně predevěim páče o dobrou tepalnaw i x a l e c l , apolahlivý oávod par i při. mimořádném zvýěenl prívodu tepla,
- 17 -
•• -n.,,
v uzavřených systémech?a ochrana proti popálení pří léra výronu atud»n*h« helia ze zásobníku nebo zfpřelévaci trubic*, ŕ llsfkteréodruhotné nebezpečí jako vymrzání vzduchu ne%o .'Ihkoati ve výstupních cestách ze zásobníků a Je, J ich stínících plážíú, což může vést k jejich úplné ^děstrukc,!. De proto žádoucí při manipulaci a kapalným heliem i při projektováni zařízeni a přípravě experimentů mít na zřeteli všechny Jeho mimořádné vlastnosti a naučit se je náležitě využívat. Literatura
:
"
'
" P
1. H. Brechna: Superconducting Magnet Systems (Berlin 1973) 2. 3. K. Dones, 0. M. Steceyt The recovery and liquefaction of helium from natural gas in Poland Cryogenic* 14 (1974) 198-202
£
3. M. P. Melkov, I. B. Danllov, A. G. Zeldovič,„A. B. Fradkov: Spravočnik po fiziko-techničeskim osnovám kriogeniki (Moakva 1973) / = • 4..R. W. Vance, W. M« Ouke (vydavatelé): Applied Cryogenic Engineering (Naw ^,'ork 7 London 1962)c? b 6. G* K. Whiter Experimental Techniques in low Temperature Phy.sica (Oxford 1969)
"-
1 8
MECříÁNICKÉ
Tfil^JOŤÁÔÍ
vňh Klá: r
F. „Rtoupa, Fyzikální ústa\| ČSAV, 1. 0vod
5
„
•
.,
"• •» fW
o
0
Njvehranické vlastnosti pevných látek s e zpravid a rozdělují ké n. neelastické. Elastické vlastnosti jsou pom&Vně' málo te jaou proto z hlediska fyziky nízkých teplot přflli
zajfmavé.
názvem nďelasticlté vlastnosti ncrbo plastická de ormáce s e piny rozmanitých složitých dějů, které jsou vell< e ostře
vlastnosti eía#Uc-
~~ iafé á Irm-
•*
rozsáhle »ku-
ejen lna struk-
túře pevných látek a na poruchách této struktury, ale i na ttptotô, Př| nižších teplotocli s e většinou zhoršuje tvárnost a materiály s e stávají křehčí. Je to způsobováno procesy, které nejsou typické pouze pro oblast velmi nízkých teplot, ale uplntnují s e v širokém toplotním oboru a jsou různě teplotně aávislé. V po-. sledních letech bylo překvapivé zjištěno, ze s e mikrofyzikální procesy plastické' deformace v oblrv«*tl velmi nízkých teplot ( O - 2 O K ) významně* modifikují, teplotní závislost, plastické deformace s e zmenšuje nebo s e dokonce tvárnost opít
-
poněkud Hlubšícfyzikální výklad neelastických vlastností pevných látek při !hízký<;h " J
teplotách musí proto vyjít z poznání mikroskopických mechanismů plastické deformace a jejich teplotní závislosti. Vzhledem k závislosti těchto mechanismů na struktuře s e omezíme na,látky krystalické, převážně na kovy, nebudeme tedy probírat vlastnosti polymeru nebo látek" amorfních, a soustředíme s e přitom na fyzikální podaíatu dějů. Podrobnější výklad lze najít v monografiích /l, 2/nebo v učebnicích, např. / 3 , 4/i" konkrétní údaje o mechanických vlastnostech r&z- , ných materiálů při" nízkých teplotách jsou uvedeny např.,) v /5, 6/. 2 . Elastické vlastnosti Při malých deformacích je vztah mezi tenzorem napětí
monokrystalů určen lineárním Hookovým zákonem <£^r - ^"ikl^kV ^^m ^JLlkl
je tenzpr elastických modulů; často s e též používá tenzoru elastických poddajností
3U££ze vztahu
£JU~ %jlfi ůj^(spolecn* s e nazývají elastické konstanty);
Z termodynamiky plynou jednoduché závěry o jejich teplotní závislosti blízko O K. Z třetí věty termodynamiky plyne, Že (i^j/,^^^^ OK
- O a tedy v blízkosti
jsou elastické'konstanty prakticky teplotně|n»?zavislé. V siršlii teplotním •
•
oboru ovšem elastický moduly s klesající teplotou mírně rostou (tj. elastické poddajnosti klesají), nebof vlivem anharmonlcity /kmitů atomů v mříže* s e zmenšuje mřížková konstanta a silové merlatoiTřcvv působení roste. Pro většinu prakUrJty užívaných kovových materiálu jsou elastické moduly blízko O K vCiií o S ÍJ ož lO,-4 než při teplotě pokojové.
.
,
' Polykrystalické materiály' bes textury jsou elasticky izotropní a jsou pak cha-
"
.- modulem^ j r
Ich teplotní závislost ^ ě , na teplotě mnohem mén*. meáf elasilckýmŕ moduly Izotermtc- pomalé deformaci, kdy teplota Itšljfsa s e nemění) a ádla-
' m»todtlmtt \
rych|é deformaci, kdy není možný odvod tepla,napľ.
^ f t ) ). . Při pokojových p j ý tteplotách jsou některé°z odlabaUckýchI
modulů \*tšlhy tĚtšk $ njfkolik procertt v«tSÍDn&^ moduly, í zotermické, p H O R Jsou ai víak př»sn« rovny« Proto při velmi nízkých teplotách není prakticky «<•ba. rozlišovat med Izotermickýml a adiabatlckými elastickými konstantami. o
J« třeba ovšam upoeornlt na to, ž e elastická konstanty s e mohou měnit akokmi, pří táiováiVi přechodu. NeJzajfmavějSím faxovým přechodem při nfzicých teplotách; J* pr«ch'od do «upravodlv*hó stavu, ten je však spojen jen s velmi malou smšnou objemu, řádové 1O~ , a malou změnou elastických konstant řádu 3 . Teplotní e&vlslost plastické deformace krystalických látek 3 . 1 . Monokrystaly
° °
L
"
°
K trvalé.deformaci můž« dojít v monokrystalech třemi základními mechanismy: sklu«em. dvbJcaOnfai a Stžpenim. První dva z těchto mechanismů probfhajf vlivem smykových napití f ,
tř^tí vlivem tahových napětíd . " ,.
"
V případ* dokonalé krystalové mřížky by k těmto procesům docházelo í a ž při' ohromných napitích ^ * Q / i O
nebo é\ u E?/lO, při kterých mřížka začne *fira-
cet stabilitu rumými mody deformace a které představují maximální možnou (trv. teoretickou) pevnost mřížky; při nlágích napětích by deformace byla čistě elástick&. Hodnot jjeynosti blízké T^ nebo d^, bylo již dosaženo u tenkých monokrystallckých vláken, tav. whlskeru různých kovových 1 nekovových materiálů, které mají mřížku téméř bez poruch. Rekordní naměřené hodnoty pevnosti jsou 2OOO a š 3OOO kp/mm , tedy o řád v y š š í n e ž je pevnost nejlepších dosavadních technických materiálu. Teplotní závislost teoretické pevnosti Je možno očekávat podobnou Jako u• elastických modulů, bude mít tedy maximum pH O K a s teplotou bude Jen raíŕrä klesat. Velice perspektivní s e jeví možnosti využití této teoretické pevnosti v tzv. kompozitních materiálech, v nichž by okolní matrice «aJistóvnla provozní bezpečnost a tenké protáhlé častice velkou pevnost pH nízkých 1 vysokých teplotách. V obvyklých krystalech dochází k plasUcké deformaci při mnohem menších napátích proto, äte Jejich mřížka není dokonalá, ale obsaliuje velké mnoiíství mřížkových poruch, především dislokací. Jsou to carové poruchy, které s e při působení smykových napití *tř mohou pohybovat podél určité skluzové roviny. Přitom s e postupme posouvá Jedna část krystalu proti druhé o meziatomovou •
vzdálenost, takže skluzový Rphyb dislokace je elementem** prDctaMR «kk*| ) v kry stal ech i Rtíynéáť dvojcatiřní Je důsledkem pohybů speciálních tisv. "' tovýcn ctíslokacf. Teplotní sávizlos* plastické deformace Je turttt dána kt-ystalu »°tfftiXÍMt porucha*!. závislostí pohyblivosti dislokací Všimneme 'si nejprve pohybli^stt dislokace v mHfce bee dalších .pOřuchilPrl pohybu dislokace krystalem jeff energie * (na J«bW*w (Mety) n«Vnf s perlocUatou krystalu o B ^ , tzv. PeleHsovu-řiataBkrrOvu energii. J* ledy k pohybu dislokace bez uvaiovárJ kmitá mfífáry, tj. při O K, / zvaného Pelerlsovo-Nabarrovo (P.N. V napeUi, Typické hodnoty " ^ pro kovů 1 Iontových krystatô Jsou 1O~0 a š lO"*a, tedy o nekcHk řádů menlf rwt ]e pevnost vw< smyku dokonaleno krystalu. Výjimku tvoři šroubové dislokace v kubických prostorové centrovaných (k.pr.c.) kovech (k nimi patH např. icA% nebo Nb), které vzhledem k trojcetné symetrii Jádra dislokace mají 'V^vetší, řádově 1O"3 a š l O " ' d , a krystaly s prevážne kovalenSní vazbou (např. * , MgO) s "Upi, řádová 1O G. " ,,, S teplotou toto napití klesá, neboř tepe.'né kmity mřížky pomáhají vnšjšfmu napětí při překonávaní P.N. bariér, takže při vyšších teplotách Je možno v* většině kovu pokládat dislokace za volne pohyblivé v mřížce ( s výjimkou krou- _ bových dislokací v. k.pr.c. kovech). Napětí potřebné pro deformaci je pak dáno Interakcí dislokací s ostatními mřížkovými poruchami, zvláště s ostatními dislokacemi, přAnšseml, preclpltáty, " j * ^ Q Rychlost f výsledné plastické deformace 7 je úmerná hustote pohybUvých dislokací ^ a střední rychlosti dislokací V, která ostře závisí na teplot*, j-MPpMb
ľ-O
O
k\
y?o °
- 21 -
Hcké Reformaci, dojde ľ k lokálnímu zpe^jriSní a k přerozděleni napilí .míato k porubení. Deformační zpevňování "Je l/ípřf£fnou toho, že pevno°sl natetíálu Je vyšší it\ež m e z s k l u z u . > deformace Je tedy veliče Äožttý proces á zavial na vlastnostech
Ji
mřížky samotne, které s e projevuji Ji vlastnostech Jednotlivých dislokací, tak i na hufetotei a rozložení dislokací á na vlastnostech, množství a rpzloženf ostati nfch mřížkových poruch, které seíprojevují jako překážky pohybu dislokací. N e existuje proto Jednotná dlalokacnf/teorle plastické deformace, nýbrž detailní teorie pro jednotlivéo»kuplny materiálu a pro speciální podmínky, např. teorie daformaCniho zpevnění kubických plošnä, centrovaných (k.pl.c.) kovů, tWrle zpevnťní . k.pr.c. kovů lntersticlálnbnl prtmeseml atd, Z těchto teorii pak plynou 1 důsledk y pro teplotní závislost plastické deformace v těchto U>dnotllvýfch případech. Jako příklad uvedeme KJednoduäené závery pro tehotní závlaloat meze skluzu • f o i pokud jsou rozhodující překážky podstatne větší než atomová rozmery (např. vetSl precipltáty nebo napěti od skupin dalších dislokací), Je Tí0DrnáÍo tpplotne r-ávislé a mírně klesá s e stoupající teplotou podobne Jako elastické moduly; pokud jsou rozhodující překážky zhruba atomových rozměrů (např. vakánce, Jednotlivé atomy přímě at, P.M. bariéry), klesá *e o rychle s ? stoupající teplotou, n e boť s e uplatňuje tepelná aktivace pohybu dislokaci. Jř" 3 Proto jsou např. čisté k . p l . c . kovy jako mě3 blízko
x
3.2". Polykryslallcké materiály plastické deformaci polykrystallckých matSrifilů dochází "j^lnak k "defo|macl uvnitř zrn jako u monokrystalů, jedrvak může* dojít k pojjlůízí&Vi poddľ hrable írn, •spravidla však až pH teplotách vyšších ne2 polovina bodu tání*v K°. PH nižších teplotách o s e proto hranice zrn projevují hlavnp Jako překážky pohybu dl«Iokací, někdy 1 Jako místa vzniku ftových dislokací ňt?bo místa vzniku ä Síření' trhlin (vlž § 4). ' , ° ° J
° o
*
'
*
° "
«
(I
K tomu, aby vůbec mohlo- dojít k "významnější plastické deformaci polykryrtao " ^ ý p y J^ , y ^ lického materiálu skluzovými procesy uvnitř zrn „Je třsba, aby Tenzor rní^terlál^deíormac v tvaruc * monokryatáluViěl oJespoň S nezávislých skluzových systémů. £.>má" totiž Ŕ složek, ole při plastické deformaci s e prakticky nemSní objem,takž e je splněna podnffftka f - n + ^ i i ^ E j j * O a' pouze 5 složek jě „nezávislých. Pět skluzových j systémů nezávislých v tom smyslu, 0 že žádný z nich nelee reaIlzoval kombinací ostatních, pak muže zajistit libovolnou plastickou deformaci v Jednotlivých zrnech á polykrystallcký materiál s e může jalco celek deformovat tak, že s e zachovává jeho souvis! ~st a nemusí vznikat trhliny na hranicích zrn. Zatímco při vyšších teplotách je zpravidla skluzových syr.témů dostatek, nebof nastupují 1 skluzové systémy vedlejší, je při nižších teplotách počet skluzových systémů omezen na systémy základní, U většiny (u k . p l . c . i k.pr.c.) kovů Je počet základních systémů dostačující, výjimku tvoří hexagonální kovy s e základními skluzovými systémy v bažalní rovině (např. Zn a Cd), dávajícími pouze,dva systémy nezávislé. Přesto ae dají deformovat v polykrystallckém stavu 1 pH ní*"kých teplotách, nebot vzhledem k dobré vazbě hranic zrn s e vynutí vedlejší ° skluzové systémy při stoupání napětí' nebo vypomůže dvojcatěnf. Dostačující počet skluzových systémů má 1 většina látek kovalentnfch napr. s diamantovou mřížkou, naproti tomu většina Iontových krystalů jako MgO má při nízkých teplotách počet nezávislých skluzových systémů menší než 5, vzhledem k menší pevnosti hranic zrn s e n e vynutí funkce vedlejších skluzových systémů při stoupání napětí a dochází dříve k vzniku trhlin podél hranic zrn. - ' o ° Hranice zrn Jsou velice účinnou překážkou pohybu dislokací. Zpravidla již při vzájemném natočení zrn rovném několika stupňům dislokace z jednoho srna nemohou z důvodu geometrických do druhého zrna přejít, nakupují s e před hraničí á teprve a ž napětí od těchto nakupení nabudou v druhém zrnu dostatečně velkých hodnot, vynutí s e činnost zdrojů dislokací v druhém zrnu a dochází k plastické deformaci celého materiálu. Napětí od těchto nakupení budou tím větš í čím vetSÍ,j je v nich počet dislokací a ten stoupá s rozměrem zrna Dfmateriál • vítáími srny půjde proto snadněji deformovat. Pro mez skluzu polykrystaUckéj ho materiálu ^ ( u v a ž o v a n o u jako tahové napětí) .lze odvodit vztah d. "<&0+ k y D • , kde <»0 Je mez skluzu monokryřialu (á <*2Ye z § 3 . 1 ) a ky je konstanta malo
o
V
č?
S ;„% °
„» " závislé na teplotě. Téolotní závislost O. je prólo=určena teplotní závislostí
Í;Í; • >íi»\y , ŕ
skluzťs monokrystalu T£. ávýšení meze skluzu íVlivem hranic zrn jeätírrí větší
x
\ *
í m m o n s í
e
'e<•
"
"
*.° křehký lom = Q " "*
-
J veMk^sť zrnj je však málo teplotně závislé.' °
"
o
/ľ
1
'
Plastická deformace končí porušením vzorku různými mechanismy v závislosti J Ä .-,
„struktuře a složeni materiálu, na stavu povrchu, tvary oj.velikosti vzorku, způsob bu namáhání a na teplotě. Jedním z lakových mechanismů Je lokáln/j zúžení
» ,, -
vzorku skluzovými procesy, které může nastat y čistých k.pl.c. koyech 1 blíz•
' i.
ke O K . V« většině případů však dochází k různým typům lomu v různém sta- D
*•"
dlu plastické deformace. Technicky nejnebezpečnější je křehký lom, tj. náhlý
Je známo, že křehký -lom probíhá ve dvou stadiích: prvým "Je nukleace trhllo
ny, druhou Síření trhliny. Elementárním npsitelem kř-rhjkého lpmu je tedy'mlkrotrhlina a c lom probíhá jejím šířením. U mnoha "materiálů proces nukleace odpadá9 proto,1 ž e material" obsahuje dostatek mikrotrhlin z předchozího zpracování (např. cSŕ>
u svařovaných konstrukcí v okolí svárů). To je typické i pro některé křehké nekrystallcké materiály jako je sklo, které" obsahuje velké množství mikrotrhlin
'%°c
u povrchu, a pro krystalické látky keramické, které obsahují velké množství
a
pórů. U většiny kovových materiálů s e však zárodek trhliny vytvoří během tatklé : plasUcké deformace předcházející lomu. Při užitých napětích jsou již J«?dnotUvé dislokace dobře pohyblivé a dochází k jejich nakupení před překážkami, např. : precipitéty, hranicemi zrn apod„ Jestliže Je v krystalu dostatek pohyblivých dis-
„°
ickací, možnost činnosti zdrojů dislokací a také dostatek skluzových systémů, pokračuje skluz. Není-11 tomu tak, dochází k rozvírání krystalu pod hranovými" dislokacemi u čeJa nakupení a tedy k vytvoření zárodečné mikrotrhliny. Hozmanitost procesu a počat míst, kde'mohou vznikat zárodečrjé trhliny submikroskopických rozměru j,jou I při poměrně malé plastické deformaci tak četné, že a*
o
zdá nemožné bezpečně zabrániť vzniku mikrotrhlin při libovolných teplotách.Mo:
děrní přístup k problematice lomu proto pokládá°tvorbu zárodku trhliny za „snadný proces a soustřeďuj* s e na poznaní a případné ovU-vncvání Síření trhlin/e, 9/. V podstatě správný přístup k otázce síření již existujících trhlin přineslo GrUÍHthovo kritérium z roku 192O. PŮsobí-li v tělese#a#edrií^1anové nap^ff = ^ ====
^ ^
v e směru kolmém k rovin* t e n k é trhliny, pak s e trhlina bude šířit, j e - U 5J^ k d e kritické Grifflthovo n a p é t í ^ M
fefiflc
' k d e - J e délka trhliny txfíf
efek-
tivní p o v r c h o v á e n e r g i e trhliny. V tomto pHpaďi s e toUž z e l a s t i c k y napjatého tělesa muže uvolňovat dostatek anergle, potřóbné k vytvoření lomových ploch. S rostoucí délkou trhliny kritické napětí <š. klesá a je tak působícím napětím
Í