Учебное пособие 1879

Таким образом, проблема установления связи между процессом релаксации и диффузией состоит из двух частей: нужно, во-первых, показать, что энергии активации равны (при помощи эксперимента) и, во-вторых, нужно найти коэффициент , чтобы можно было точно вычислить D0.

Следует, однако, иметь в виду, что модели случайных блужданий вероятности атомных скачков не зависят от направления предшествующих перемещений точечного дефекта.

В действительности точечный дефект совершает не случайные блуждания, а коррелированные, т.е. между последовательными его скачками имеется определенная связь. Поэтому действительная величина среднеквадратичного смещения дефекта, а также действительная частота скачков меньше в f раз соответствующих значений, полученных в рамках модели независимых переменных. Величина корреляционного фактора зависит от типа решетки и механизма диффузии. Например, для самодиффузии по вакансионному механизму величина f лежит в интервале между 0,78 (для г.ц.к. решетки) и 0,5 (для решетки типа алмаза). Знание корреляционного фактора f позволяет более точно рассчитать истинные значения коэффициентов диффузии по измеренным временам релаксации . Заметим, что другие известные методы определения D дают лишь эффективное значение коэффициента диффузии, связанное с потоком вещества.

3.4.4. 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

141

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 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, 142онструкциму 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 конструкциионных материалов» [7].

Демпфирующая способность выражается через внутреннее трение простым соотношением

При < 10 %, демпфирующую способность можно определить по фор-

муле

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 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.

142

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 табл. 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 (таблица).

Таблица

Сравнительные данные механических свойств сплава «Нивко-10» и стали Х12Н

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

Контрольные вопросы к разделу 3

1.Что характеризует внутреннее трение и чем обусловлено его возникновение?

2.К каким явлениям относят метод внутреннего трения?

3.Дайте классификацию основных методов измерения внутреннего трения.

4.Какой уровень аппаратных потерь допустим при измерении внутреннего трения?

143

5.На каком принципе основаны динамические методы измерения модулей упругости и сдвига?

6.Как связана резонансная частота колебаний образца с их модулем упругости?

7.При каких условиях эксперимента внутреннее трение максимально?

8.Приведите температурную зависимость времени релаксации.

9.Какими способами измеряют внутреннее трение?

10.Какие методики измерения внутреннего трения применяют в инфразвуковом диапазоне частот?

11.По какой формуле определяют энергию активации релаксационного процесса по смещению положения максимума?

12.По какой формуле определяют энергию активации релаксационного процесса по форме максимума?

13.По какой формуле определяют энергию активации релаксационного процесса по полувысоте максимума?

14.По какой формуле определяют демпфирующую способность материала?

15.Какие материалы относят к высокодемпфирующим материалам?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В связи с развитием ядерной энергетики и техники низких температур – бурно развивающихся отраслей, возрастает роль методов контроля физических параметров конструкционных и функциональных материалов. В настоящее время интенсивно развиваются новые методы механических испытаний. Поэтому дальнейшее развитие экспериментальных методов измерений требует как совершенствования уже существующих, так и разработку принципиально новых методик, основанных на новых физических принципах. При этом важное значение будет иметь автоматизация процесса измерения путем применения ЭВМ, сопряженных с измерительными приборами или встроенных в них.

Другим перспективным направлением экспериментальных методов исследований материалов является разработка комплексного измерительного оборудования, включающего несколько методик измерения и анализа полученных результатов. Такой подход позволит освоить массовый выпуск измерительного и аналитического оборудования, предназначенного для различных отраслей народного хозяйства.

144

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Кунце, Х. И. Методы физических измерений [Текст]; / Х. И. Кунце. – М.:

Мир, 1989. – 216 с.

2.Классен, К. Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике [Текст]; / К. Б. Классен. – М.: Постмаркет, 2002. – 352 с.

3.Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Т. 1: Физические методы исследования металлов [Текст]. – М.: Машино-

строение, 1971. – 554 с.

4.Павлов, Л. И. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов [Текст]; / Л. И. Павлов. – М.: Высш. Шк., 1987. – 239 с.

5.Головин, Ю. И. Основы нанотехнологий [Текст]; / Ю. И. Головин. – М.: Машиностроение, 2012. – 656 с.

6.Головин, Ю. И. Наноиндетирование и его возможности [Текст]; / Ю. И. Головин. – М.: Машиностроение, 2009. – 312 с.

7.Постников, В. С. Внутреннее трение в металлах / В. С. Постников. – М.: Ме-

таллургия, 1974. – 352 с.

8.Новик А. Релаксационные явления в твердых телах / А. Новик, Б. Берри. –

М.: Атомиздат, 1975. – 472 с.

9.Калинин, Ю. Е. Экспериментальные методы исследования: пособие [Электронный ресурс]; / Ю. Е. Калинин. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015.

145

1.5.Определение ширины запрещенной зоны полупроводников по температурной зависимости проводимости ………………………………………. 40

1.6.Методы исследования термоэдс…………………………………………. 42

1.6.1.Интегральный метод ………………………………………………….. 43

1.6.2.Дифференциальный метод…………………………………………….. 45

2.8.Испытания на ударную вязкость………………………………………... 74

2.9.Испытания на усталость ……………………………………………….. 77

3.3.4.Измерение затухания в твердых телах в области частот106-109Гц…. 119

3.3.4.1.Импульсный эхо-метод …………………………………………….. 119

3.3.4.2.Импульсный метод для измерения скорости звука и коэффициен-

та поглощения ……………………………………………………………….. 122

3.3.5.Выбор методики и оценка ошибок при измерении внутреннего тре-

3.4.2.1.Определение энергии активации по смещению положения максимума ……………………………………………………………………. 132

3.4.2.2.Определение энергии активации по форме максимума внутренне-

го трения………………………………………………………………………. 135

3.4.2.3.Определение энергии активации по полувысоте релаксационного максимума…………………………………………………………………….. 135

3.4.2.4.Определение энергии активации по температурному положению максимума внутреннего трения …………………………………………….. 137 3.4.3. Исследование коэффициента диффузии методом внутреннего тре-

ния …………………………………………………………………………….. 138

3.4.4. Физические основы демпфирующей способности твердых тел…….. 141

Учебное издание

Калинин Юрий Егорович Ситников Александр Викторович Янченко Лариса Ивановна

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

Учебное пособие 2-е издание, исправленное и дополненное

Компьютерный набор Ю. Е. Калинина, Л. И. Янченко

Редактор Сотникова Л. Г.

Подписано к изданию 30.06.2021. Объем данных 2,6 Мб

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

148