Лабораторна робота № 7 дослідження температурних спектрів внутрішнього тертя

Завдання: * Отримати та проаналізувати криві ТЗВТ при нагріванні та охолодженні.

Мета роботи: *Оволодіти основами аналізу температурних спектрів внутрішнього тертя.

Короткі теоретичні відомості

Аналіз температурних спектрів поглинання

Температурні спектри поглинання пружної енергії можна умовно поділити на фон ВТ і піки (релаксаційні, фазові, гістерезисні), які накладаються на цей фон. Для аналізу такого спектра потрібно відокремити піки від фону, розділити та вивчити їх характеристики.

Методика відокремлення фону ВТ

Для відокремлення фону будується крива ТЗВТ в координатах Q^-1(1/Т), оскільки фон ВТ змінюється пропорційно exp(––const/Т). Для даного графіка залежності Q^-1(Т^-1) підбирається експонента, що відповідає фону та віднімається від загальної величини ВТ. Оскільки високотемпературний фон, не залежно від його природи, змінюється за експоненційним законом:

Q^-1 ~ exp( const /T), (7.1)

то для виділення фону виникає необхідність визначення величини const, яка визначає фон. Для цього будують графік залежності , при високих температурах вибирають декілька точок (не менше 5-7), які утворюють пряму лінію з точками при низьких температурах. Визначаємо const як тангенс кута нахилу цієї прямої, будуємо теоретичну криву фону , на одному графіку з експериментально одержаною кривою, віднімаємо від величину і будуємо графік залежності . Завдяки цьому експериментальний графік у всій температурній області опускається та проявляються максимуми, форма яких була спотворена фоном.

Температурні залежності поглинання пружної енергії у вигляді фону ВТ спостерігаються лише в дуже чистих бездислокаційних монокристалах, які не зазнають фазових перетворень. У всіх інших випадках на фон ВТ накладаються максимуми поглинання пружної енергії, зумовлені тими чи іншими процесами, що протікають у зразку під дією тих чи інших факторів (температури, тиску, концентрації, зовнішньої знакозмінної напруги та ін.).

Максимуми ВТ

Нагадаємо, що за характером поглинання всі відомі максимуми можна умовно поділити на а) релаксаційні, б) гістерезисні, в) фазові.

Релаксаційними називатимемо максимуми, які при зростанні частоти вимірювань зсуватимуться в бік вищих температур, матимуть симетричну форму й супроводжуються дефектом динамічних модулів. Або перефразуємо: для яких виконується умова    і має місце ступінь релаксації модуля пружності (де   циклічна частота коливань;   час релаксації; М_н  нерелаксований модуль пружності; М_р – релаксований модуль) та які мають чітку дебаївську форму, що визначається співвідношенням . Зінер запропонував для релаксаційного максимуму співвідношення

. (7.2)

Гістерезисними називаються максимуми, які при зростанні частоти вимірювань зсуваються в бік нижчих температур, мають симетричну форму, сильно реагують на амплітуду прикладеної

зовнішньої напруги (зростають зі збільшенням останньої) та супроводжуються аномальною поведінкою динамічних модулів (які аномально зростають при підвищенні температури досліджень). Прикладом такого типу максимумів може бути магнітомеханічний гістерезис у феромагнітних матеріалах.

Фазовими називаються максимуми, які не змінюють свого температурного положення при зміні частоти вимірювань (зміна частоти вимірювань може впливати лише на висоту максимуму), мають несиметричну форму, супроводжуються аномальною поведінкою модулів пружності, для яких спостерігається значний температурний гістерезис як ВТ (криві Q^-1(T) при нагріванні зразка і охолодженні не збігаються), так і динамічних модулів пружності. Характер поведінки модулів пружності визначається типом і характером фазового перетворення. Так, для фазових перетворень 1-го роду, що протікають за дифузійним механізмом, характерна стрибкоподібна зміна модулів пружності в околі температури фазового перетворення і температурний гістерезис модулів; для мартенситних фазових перетворень, які, як правило, супроводжуються незначною зміною внутрішнього тертя, характерним буде “розм’якшування” модулів з температурою (рис. 7.1), як це спостерігається, наприклад, у Ве. Справді, при зменшенні температури динамічний модуль зсуву (G _ef.) берилію спочатку поетапно зменшується і лише потім, після досягнення певної температури, починає зростати. Така поведінка модулів пружності із температурою дістала назву “розм’якшування” модулів.

Висока складність інтерпретації температурних спектрів поглинання пружної енергії вимагає детального вивчення кожного з ефектів поглинання, що доцільніше розпочати з групи однотипних максимумів поглинання, які виникають у твердих тілах

Рис. 7.1. Температурні залежності ВТ (1,2) і G _ef (3,4) в МТБК-Ве (99,95 % Ве) при структурних фазових перетвореннях мартенситного типу

.

Порядок виконання роботи

1. *Підготувати зразок для досліджень, виміряти його радіус, довжину і змонтувати в релаксометрі.

2. *Ввімкнути воду для охолодження і перевірити тиск води в охолоджувальній системі.

3. * Виміряти ВТ і при кімнатній температурі в інтервалі «15 – 10 мм» визначити смугу розкиду (див. лабораторну роботу №2).

4. * Ввімкнути пічку (див. порядок виконання лабораторної роботи №3). Вимірювати ВТ і при нагріванні в динамічному режимі через кожних 10 ^оС від Т _кім до

300 ^оС і при охолодженні від 300 ^оС до кімнатної.

5. *Побудувати графіки залежності Q^-1(T) і f ²(Т), де Т – абсолютна температура.

6. *Виділити фон ВТ, відняти його та побудувати графіки .

7. *Аналізуючи криві Q^-1(T) і f ²(Т) при нагріванні та охолодженні, відділити релаксаційні та фазові максимуми.

8. *Виділити релаксаційні максимуми та визначити їх характеристики (енергію активації, час релаксації, ступінь релаксації модулів пружності).

9. *Описати отриманий температурний спектр та скласти звiт про виконану роботу.