Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

5.4.5. Физические основы демпфирующей способности твердых тел

Затухание механических колебаний (демпфирование) является важным свойством вещества, с которым приходится часто считаться при изготовлении различных изделий и устройств. Величина затухания (внутреннего трения) является существенным фактором, который определяет напряжения, возникающие в различных изделиях под действием внешних вибрационных сил, близких по частоте к резонансным. Чем больше демпфирование, тем ниже действующие напряжения. Наибольшая стойкость к усталости наблюдается у тех материалов, которые имеют высокую демпфирующую способность.

Значительное число деталей машин и различных устройств постоянно или в какой-то период времени испытывают действие возмущающих сил. Под действием этих сил могут возникать резонансные колебания, которые нарушают стабильность работы и в некоторых случаях могут привести к разрушению отдельных узлов или всей конструкции. В последнее время большое внимание уделяется изучению воздействия вибрации и ударов на радиоэлектронную аппаратуру. Обусловлено это, во-первых, тем, что вибрации могут вызвать дефекты и неисправности радиоэлектронной аппаратуры, во-вторых, повышением механических нагрузок вследствие увеличения мощности двигателей и скоростей движения объектов, на которых устанавливается радиоэлектронная аппаратура.

С целью устранения нежелательных вибраций отдельные узлы (или вся конструкция) изолируется от источников возмущения при помощи прокладок, амортизационных пружин, динамических поглотителей и т.д. В некоторых случаях гашение осуществляется за счет сухого трения (конструкционное демпфирование). Однако наилучший эффект гашения колебаний достигается тогда, когда сам

286

материал по своей физической природе способен демпфировать действие внешних возмущающих сил. Поэтому важнейшей физической характеристикой любого конструкционного материала, определяющей пригодность его в условиях действия вибрационных сил и нагрузок, является демпфирующая способность. В ряде случаев, если имеется выбор при изготовлении некоторых элементов конструкций, нужно отдавать предпочтение материалу, обладающему более высокими демпфирующими свойствами.

К сожалению, конструкторы и технологи только сейчас стали обращать внимание на демпфирующие свойства материала. Справедливости ради надо заметить, что «отсутствие должного внимания конструкторов и технологов к столь важному свойству материалов обусловлено, прежде всего, малым количеством надежных данных о демпфирующих свойствах различных конструкционных материалов».

Демпфирующая способность выражается через внутреннее трение простым соотношением

При < 10 %, демпфирующую способность можно определить по формуле

При характеристике демпфирующих свойств материалов удобно придерживаться классификации предложенной В.С. Постниковым и В.С. Беленьким. Материалы, демпфирующая способность которых лежит в пределах 0,001-1 %, считаются низкодемпфирующими, имеющие от 1 до 10 % - среднедемпфирующими и

287

материалы, для которых изменяется от 10 до 100 % - высокодемпфирующими.

Рассмотрим влияние различных внутренних физических факторов структуры на уровень внутреннего трения (демпфирования) в твердых телах. Сюда можно отнести наличие в твердом теле дислокаций, двойников, дефектов упаковки, границ зерен и границ раздела фаз, наличие ферромагнитных доменов и т.д.

Таким образом, большое затухание может быть обусловлено рядом причин. Таких причин больше всего в ферромагнитных веществах, и поэтому затухание в них часто значительно выше, чем в неферромагнитных веществах. В частности, высокое затухание в сталях, содержащих 12 % Сr, является одной из причин использования её как материала для изготовления лопаток паровых турбин. Высокое затухание механических колебаний в этой стали известно уже более 50 лет, однако только 30 лет тому назад была выяснена физическая природа затухания. Выяснение физической сущности явления, приводящего к затуханию, позволило Кочарду разработать новый сплав для лопаток паровых турбин. Этот сплав называется Нивко-10. По своей прочности и пластичности он является замечательным материалом. В таблице приведены сравнительные данные механических свойств сплава «Нивко-10» и стали Х12Н. Сплав «Нивко-10» обладает значительно более высокой прочностью, чем сталь Х12Н. При 650 0С критическое напряжение в сплаве Нивко-10 в 8 раз превышает соответствующую величину в стали Х12Н. Кроме того, он обладает одним из наиболее высоких значений затухания, которое когда-либо наблюдалось у металлов.

Существуют и другие примеры высокодемпфирующих сплавов, которые находят практическое применение в качестве конструкционных материалов.

288

ЧАСТЬ III. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

6. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ

6.1.Основные параметры, характеризующие магнитные

материалы

Основным показателем свойств магнитных материалов яв-

ляется их относительная магнитная проницаемость, которая определяется выражением

где В - магнитная индукция; Н - напряженность магнитного поля; μ0 - магнитная постоянная, равная 4πּ10-7 Гн/м.

Другим важным показателем физических свойств магнит-

ных материалов является магнитная восприимчивость , ко-

торая связана с относительной магнитной проницаемостью выражением

Важным показателем свойств является температура Кюри, при нагреве до которой магнитные материалы переходят в парамагнитное состояние.

Магнитное насыщение характеризуется индукцией насыщения ВS. Часто этот параметр определяется как значение магнитной индукции, после которой при увеличении напряженности поля в 2 раза прирост индукции соответствует не более 5 %.

Остаточная индукция Вr - это магнитная индукция при нулевой напряженности внешнего магнитного поля после предшествующего намагничивания до индукции насыщения.

Коэрцитивная сила по магнитной индукции Нс - это напря-

женность магнитного поля, которая необходима, чтобы после

290