Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е
(КМ ОС), а затем - относительно медленное - остальной деформации. Через какое-то время = 0 (в точке N), образец имеет исходные размеры, но из рисунка видно, что далеко не вся обратимая деформация является чисто упругой.
Механизм упругого последействия может быть связан с перемещением точечных дефектов, например в металлах с о. ц. к. решеткой - атомов примесей внедрения. До нагружения эти атомы располагаются в междоузлиях, например на середине ребер кубической решетки, статистически равномерно (рис. 5.2, а). Под действием напряжения происходит постепенное перераспределение примесных атомов. Они стремятся занять междоузлия на ребрах вдоль оси нагружения (см. рис. 5.2, б), где вызывают наименьшие искажения решетки. В результате каждая элементарная ячейка и весь образец удлиняется вдоль направления действия нагрузки. Причем происходит это не мгновенно. Поскольку переход примесных атомов в новое положение требует диффузионных перескоков, он продолжается достаточно длительное время. После разгрузки происходит обратное перераспределение примесных атомов, и образец принимает исходные размеры (см. рис. 5.1, участок
MN).
Рис. 5.1. Схема изменения деформации при упругом последействии
221
Рис. 5.2. Перераспределение примесных атомов внедрения в о.ц.к. решетке под действием напряжения до (а) и после
нагружения (б)
Более общей причиной упругого последействия считается структурная и химическая неоднородность технических металлов и сплавов. Упругое последействие может в ряде случаев проявляться на практике. Например, из-за него после деформационной правки или после сварки может возникать поводка изделий. Упругое последействие вызывает нежелательное увеличение деформации пружин и мембран, работающих под нагрузкой в точных приборах.
Скорость упругого последействия, а также его величина зависят от состава, структуры материала и условий его испытания. Увеличение гетерогенности структуры, неоднородность пластической деформации, облегчение ее под воздействием различных факторов усиливают эффект упругого последействия. Например, повышение температуры резко увеличивает скорость последействия. Закалка стали и ее пластическая
222
деформация усиливают склонность к упругому последействию вследствие увеличения неоднородности структуры.
Таким образом, в твердых телах еще до начала макропластической деформации (на упругом участке кривой напряжение - деформация) возможны неупругие явления, связанные с движением дислокаций, точечных дефектов, перемещением атомов в области границ зерен и т.д. Эти явления, сопровождающиеся местными пластическими деформациями, наблюдаются при низких напряжениях и имеют важное практическое значение.
Неупругие эффекты являются причиной возникновения так называемого внутреннего трения, характеризующего необратимые потери энергии внутри твердого тела при механических колебаниях. Линии диаграммы напряжение - деформация при нагрузке и разгрузке вследствие неполной упругости не совпадают (рис. 5.3), а образуют петлю гистерезиса. Ее площадь и характеризует энергию, рассеянную за один цикл нагружения.
Внутреннему трению в настоящее время уделяется большое внимание. Это связано с большим практическим значением способности конструкционных материалов к рассеиванию энергии при нагружении в упругой области. Знание величины внутреннего трения необходимо для грамотного выбора материала, работающего в определенных условиях. Например, демпфирующие материалы для разного рода амортизаторов, способные быстро гасить колебания, должны обладать высоким внутренним трением. Такие материалы обладают повышенным сопротивлением усталостному разрушению при возникновении резонансных колебаний в процессе эксплуатации.
223
Рис. 5.3. Возникновение петли гистерезиса в результате неупругих явлений
Многие детали измерительных приборов, наоборот, не должны рассеивать упругую энергию, чтобы обеспечить малую инерционность и высокую точность измерений. Такие детали должны изготавливаться из материалов с малым внутренним трением.
Не меньший интерес вызывает внутреннее трение как метод исследования тонкой структуры твердых тел. Особенно ценную информацию этот метод дает о концентрации и подвижности точечных дефектов, дислокационной структуре, кинетике начальных стадий старения, в том числе деформационного и т. д.
5.2. Меры внутреннего трения
Механические колебания, |
вызванные в твердом теле, |
|||||
быстро |
затухают |
даже |
при |
отсутствии |
внешнего |
|
|
|
|
224 |
|
|
|
сопротивления. Такое затухание принято объяснять наличием «сил внутреннего трения» или просто «внутреннего трения» в самом твердом теле. Под этим термином понимается способность твердого тела превращать необратимым образом энергию механических колебаний в тепло. Различные механизмы превращения упругой энергии в тепловую объединены под общим названием – внутреннее трение.
За меру внутреннего трения могут быть выбраны различные величины. Можно, например, в качестве меры взять энергию, рассеянную в единице объема за одну секунду, т.е. величину
ω |
σ ε Дж/сек см3 . |
(5.1) |
Однако эта мера неудобна из-за трудностей измерения энергии и практически используется очень редко.
Наиболее употребительны относительные меры внутреннего трения. Так очень часто используется величина, называемая коэффициентом затухания
ψ |
ΔW |
, |
(5.2) |
|
W |
||||
|
|
|
где ΔW 2ωπ σε dv - энергия, рассеянная во всем объеме V за
один цикл колебаний; - круговая частота; - характеризует скорость рассеивания энергии в единице объема образца; W σ0ε0 dv - энергия колебаний всего образца при амплитуд-
ных значениях деформации 0 и напряжения 0.
Добротность механической колебательной системы определяется следующим образом:
Q |
2ππ |
|
2π |
. |
(5.3) |
|
|
||||
|
ΔW |
|
ψ |
|
|
225