книги из ГПНТБ / Фавстов Ю.К. Сплавы с высокими демпфирующими свойствами

Несмотря на большое значение и довольно широкое распространения методов определения демпфирующих свойств металлов и сплавов, стандартных приборов, вы­ пускаемых промышленностью для определения этих свойств, пока нет. Однако имеется довольно много кон­ струкций оригинальных приборов, сконструированных в ВУЗах, научно-исследовательских и заводских лабора­ ториях, существующих ів незначительном или даже единичном количестве экземпляров. В опубликованных обзорах, описывающих приборы для измерения демп­ фирующей способности в металлах и сплавах [1—3], ос­ новное внимание уделено приборам для исследования демпфирующей способности в амплитуднонезависимой области. Рассмотрим главным образом приборы и уста­ новки, позволяющие проводить определение демпфиру­ ющей способности при значительных амплитудах.

Приборы для определения демпфирующей способности при крутильных колебаниях образца

/Приборы для определения демпфирующей способно­ сти при крутильных колебаниях образца получили наи­ более широкое распространение. Основными узлами при­ боров этого типа являются: массивная рама, маятник и отсчетное устройство. Испытуемый образец, ориентиро­ ванный обычно по вертикали, жестко закрепляется од­ ним концом в раме, другим—в маятнике. Маятник может быть связан с нижним, а также с верхним концами об­ разца. В последнем случае схему прибора называют схемой обращенного маятника. Возможен также вари­ ант, когда образец закреплен обоими концами в раме, а маятник крепится посредине. После закрепления образ­ ца в нем в результате отклонения маятника от положе­ ния равновесия задается начальная амплитуда дефор­ мации. После освобождения маятника возникают свобод­ ные затухающие колебания системы маятник—обра­ зец—рама. Интенсивность затухания, измеренная по той или иной методике, и явится показателем демпфирующей способности материала образца.

В зависимости от вида испытуемого образца—прибо­ ры, применяемые для определения демпфирующей спо­ собности при крутильных колебаниях, целесообразно по их конструкции разделить на две группы: приборы для

измерения демпфирующей способности на проволочных образцах и приборы для измерения демпфирующей спо­ собности на относительно массивных образцах.

Использование для исследования демпфирующей спо­ собности металлов проволочных образцов наряду с неко­ торыми преимуществами (удобная методика проведения опыта, сравнительная (простота нагрева, легкость обра­ ботки образца в различных газовых атмосферах) имеет и свои недостатки. Основными из них являются большое влияние на результаты измерений состояния поверхност­ ного слои и значительная трудность в изготовлении об­ разцов и,з промышленного проката повышенного сече­ ния. Кроме того, на проволочных образцах трудно полу­ чить достаточно корректную амплитудную зависимость демпфирующей способности, так как увеличение угла закручивания маятника, необходимое для получения достаточно больших амплитуд, например, на (приборах распространенного іу нас типа РКФ—МИС, обычно воз­ можно только после снятия вакуумной камеры, что при­ водит к значительному увеличению аэродинамических потерь за счет трения образца о воздух. Недостаточно надежны и обычно используемые цанговые и клиновые зажимы для защемления концов проволочного образца.

Перечисленные недостатки в значительной степени устранены в приборах для измерения демпфирующей способности массивных образцов.

Как правило, приборы первой группы используют для исследования релаксационных процессов и пред­ назначаются для измерения амплитуднонезависимого демпфирования, приборы второй группы — для изучения амплитуднозависимого деміпфирования.

Приборы для исследования демпфирующей способности металлов на проволочных образцах методом свободно-затухающих колебаний по схеме прямого маятника

Испытуемый образец 1, представляющий собой проволоку диаметром 0,5—1 мм и длиной 200—300 мм, закрепля­ ют в специальных зажимах 2, причем их конструкция в

различных вариантах исполнения прибора неодинакова. Чаще всего применяют зажимы цангового и тисочного типов. Верхний зажим плотно закрепляется в металли­ ческом захвате, жестко -связанным через «промежуточ­ ный стержень» 3 с рамой прибора. К -нижнему зажиму через промежуточную тягу диаметрам 2—3 мм крепится

литуда задается электромагнитным силовым методам пу­ тем включения на короткое время электромагнитов 11, сердечники которых расположены протав железных гру­ зиков 6.

Нагрев образца осуществляется -с помощью трубчатой печи 12, состоящей из внутренней трубки диаметрам око­ ло 40 мм и длиной 700 мм и обмотки (обычно бифиляр­ ной) из таихрам-овой проволоки. Для получения однород­ ной температуры по всей длине печи витки у концов трубки наматываются теснее.

В качестве характеристик демпфирующей способно­ сти в этом случае обычно принимают логарифмический декремент колебаний или величину, обратную доброт­ ности (Q~1).

Недостаткам рассмотренного прибора являются на­ личие неучитываемых потерь за счет трения образца о воздух, заметно увеличивающих абсолютное значение подсчитываемого логарифмического декремента коле­ баний, а также относительно малый диапазон изменения рабочих температур, увеличить который нельзя из-за окисления образца при повышенных температурах. Ввод во внутреннее пространство трубки печи нейтрального газа не является выходом из положения, так как вносит в камеру циркуляцию атмосферы, что приводит к допол­ нительным потерям.

Стремление избежать недостатков, присущих описан­ ному прибору, и модернизовать некоторые элементы схемы, например метод нагрева, привело к созданию целой гаммы приборов с общей принципиальной схемой [79—83].

У нас наибольшее распространение получил прибор конструкции РКФ—МИС [79; 80; 81, с.65—71;82], отли­ чающийся от рассмотренного тем, что вся подвижная часть системы заключена в герметический кварцевый кор­ пус, в котором можно создать глубокий вакуум. Это дает возможность проводить измерения в диапазоне темпера­ тур от 20 до 900° С без опасности окисления образцов и, кроме того, избавиться от потерь за счет трения подвиж­ ных частей о воздух. В этом приборе трубчатая печь надевается на кварцевый корпус прибора. Для возмож­ ности замеров демпфирующей способности в магнит­ ном поле на внешнюю поверхность лечи наматывается соленоид из медного провода. Магнитное поле может быть создано также, если нагрев осуществлять постоян­ ным током, топда при соответствующем расположении нихромовой намотки печи она и будет выполнять роль соленоида.

Примером дальнейшей модернизации этого метода является установка Воронежского политехнического института [80]. Установка позволяет производить изме­ рения демпфирующей способности в интервале темпера­ тур от 20 до 900° С .после циклического механического или термического нагружения испытуемых образцов.

Механическое нагружение (Проводят путем знакоперемен­ ного закручивания образца в диапазоне амплитуд от 30 до 300 Мн/м2 (3—30 кГ/мм2) с помощью механизма от электромотора. Термоциклическое нагружение осущест­ вляют вертикальным перемещением (вверх и вниз) электропечи. Время нагрева и охлаждения устанавли­ вают с помощью реле времени.

Оригинальный метод нагрева проволочного образца, основанный на принципе электронагрева при пропуска­ нии через образец тока определенной силы, применен в приборе Александрова и Мордюка [81].

Значительные изменения в системе раскачки и .мето­ де замера демпфирующей способности внесены Эдером и Хафнером [84]. Их метод основан на настройке систе­ мы в резонанс с помощью низкочастотного генератора и определении при установившейся амплитуде раскачки, угла отставания по фазе деформации от циклически при­ кладываемой силы.

Приборы для определения демпфирующей способности металлов на проволочных образцах методом свободно-затухающих колебаний по схеме обращенного маятника

Среди многочисленных конструкций приборов, раз­ работанных по схеме обращенного маятника, наибольшее распространение у нас получила модель Московского института стали и сплавов [3].

Конструкция прибора показана на рис. 11. Прибор предназначен для измерения демпфирующей способности металлов в интервале температур от —190 до +500° С в области низких частот на проволочных образцах диамет­ ром 0,6—1,2 мм и длиной 50—90 мм в интервале амп­ литуд ІО“6—ІО-4. Последнее показывает, что диапазон амплитуд захватывает и участок а.мплитуднозависимого демпфирования. Измерение можно проводить в магнит­ ном поле и без него. В этом приборе проволочный обра­ зец 1 закрепляется в цанговом зажиме жестко заделан­ ном в ввинчивающуюся стальную трубку 2 пробку 3. Трубка, изготовленная из нержавеющей аустенитной ста­ ли, своим верхним концом плотно крепится на доста­ точно массивной латунной планшайбе 4, вставленной на скользящей посадке в стальную плиту 5. На нижний ко­ нец трубки для увеличения ее теплоемкости надевается массивный медный патрон С. Вместе с планшайбой

трубка может для коррекции положения образца повер­ тываться с помощью винта 7 вокруг своей оси. Верхний конец образца через аналогичный цанговый зажим и тя­ гу соединен с крестовиной маятника 8. Масса маятника уравновешивается противовесом 9, соединенным с маят­ никам тонкой нихромовой проволокой диаметром 0,08 мм, перекинутой через систему блоков 10. Для гашения

Рис. 11. Схема прибора для определения демпфирующей способности методом обратного маятника конструкции Мос­ ковского института стали и сплавов

паразитных поперечных колебаний предусмотрен масля­ ный демпфер 11.

Возбуждение колебаний производится с помощью двух электромагнитов 12, а регистрация — с помощью оптической системы. В целях повышения компактности установки при сохранении значительной длины оптичес­ кого рычага (3,3 м) световой луч, отраженный от зер­ кальца, закрепленного на маятнике, попадает на полу

прозрачную шкалу только после двукратного отражения в системе зеркал. Для изменения температуры образца и наведения магнитного поля на нижний конец трубки надвигается печь или сосуд Дьюара или соленоид 13. При проведении исследований по влиянию облучения на демпфирующую способность изучаемого металла сплош­ ной медный патрон 6 заменяется патроном со щелью, имеющей размер 100X6 льи. Температура образца изме­ ряется двумя термопарами, концы которых выведены на панель 14, укрепленную на верхнюю часть трубки 2.

до 2 -ІО-4. Маятник прибора представляет собой алюми­ ниевую рамку с намотанным на нее проводом диамет­ ром 0,1 мм. Рамка находится в поле постоянного маг­ нита и через специальные выводы подключена к звуко­ вому генератору, снабженному специальным приспособ­ лением для увеличения точности отсчета. При подаче на рамку гармонически изменяющегося напряжения, в образце возбуждаются вынужденные крутильные коле­ бания, амплитуда которых измеряется оптическим ме­ тодом.

Демпфирующая способность образца определяется по величине амплитуды в момент резонанса по формуле

ставляет 5%. Однако установка имеет недостаток — от­ сутствие вакуума, что значительно снижает интервал

температур измерения вследствие окисления исследуе­ мых образцов.

В конструкцию обратного маятника внесены боль­ шие изменения Жмудским и др. [87]. На установке этих авторов наряду с демпфированием можно также измерять модуль сдвига, электросопротивление, и удли­ нение обазца во времени под действием постоянной на­ грузки в широком диапазоне температур. Охлаждение испытуемого образца осуществляется помещением рабо­ чего цилиндра в дьюаровский сосуд с жидким возду­ хом, как и в конструкции РК.Ф—МИС. Образец нагре­ вают либо от нагревательной спирали, либо пропуска­ нием через него тока. Последнее позволяет осуществ­ лять закалку непосредственно в установке, а также исследовать влияние термоциклического воздействия на демпфирование. Использование для регистрации коле­ баний двух типов приставок: индукционной и фотоэлек­ трической позволяет осуществлять запись колебаний в

помещен непосредственно в вакуумную камеру, что по­ зволяет повысить максимальную рабочую температуру

устройство позволяет проводить измерения характери­ стик демпфирования при приложении статической на­ грузки от 300 Мн/м2 (~ 3 0 кГ/мм2) до значений, вызы­ вающих в образце пластическую деформацию. Макси­ мальная амплитуда деформации 2 -10~4, диапазон частот от 0,5 до 2,5 гц.

В приборе [88], предназначенном для измерения демпфирующей способности в широкой области ампли­ туд деформации, рассеяние энергии в образце оценива­ ется по изменению энергии, подводимой к системе возбуждения для поддержания незатухающих колеба­ ний с постоянной, наперед заданной амплитудой. В этом приборе инерционный элемент маятника помещают в в поле постоянного магнита. На маятнике укреплены две коаксиальные катушки и при его колебаниях в одной из катушек (приемной) наводится э. д. с., которая усили­ вается, преобразуется в прямоугольный сигнал и пода­ ется через блок регулировки усиления на вторую воз­

буждающую катушку. В результате этого в системе возникают незатухающие колебания на собственной ча­ стоте системы. Мощность сигнала, поступающего на катушку возбуждения, регулируется с помощью следя­ щей системы таким образом, чтобы амплитуда колеба­ ний маятника оставалась постоянной. Демпфирование, пропорциональное энергии, поступающей в катушку воз­ буждения, регистрируется и записывается на самопишу­ щем приборе. Контрольные замеры показали, что числен­ ные значения характеристик демпфирования (логарифми­ ческий декремент колебаний) отличаются от аналогичных характеристик, полученных с помощью обычного мето­ да свободных затухающих колебаний не более чем на 2%. Непрерывная запись временной зависимости демпфирующей способности позволяет получить весьма ценную информацию о кинетике структурных превра­ щений.

Приборы для определения демпфирующей способности металлов на массивных образцах, сконструированные по схеме прямого маятника

Имеется довольно многочисленная группа приборов этого типа [89—92].

Прибор, разработанный автором [89], предназначен для измерения амплитуднозависимого демпфирования на образцах, принятых для испытаний на усталость, в диапазоне амплитуд, соответствующих относительному сдвигу у= (0,01—<3) ■ІО“3 при частотах 40—80 гц в диа­ пазоне температур от комнатной до 500°С. Измерения можно осуществлять в магнитном поле, а также без

него.

Конструкция прибора показана на рис. 12. Прибор смонтирован в стальном цилиндре 1, снабженном по всей длине внутренней резьбой. Испытуемый цилиндри­ ческий образец 2 своим верхним концом крепится при помощи цанги 3 в крышке 4, ввинчивающейся сверху в цилиндр и фиксируемой тремя отжимными винтами 5. На нижнем, закручиваемом конце образца крепится дисковый маятник 6 диаметром ПО мм и толщиной 10 мм с помощью цанги. На маятнике установлено два башмака из мягкого железа 7 и два постоянных магни­ та, индуцирующих при колебании маятника ток в индук­

ционных катушках 8. Ток с катушек подается на ка­ тодный или через усилитель на шлейфовый осциллографы.

Возбуждение колебаний осуществляется электромаг­ нитным методом от звукового генератора, который на­ страивается в резонанс с собственными колебаниями системы образец— ма­ ятник и передает свои сигналы через усили­ тель на катушки элек­ тромагнитов 9, уста­ новленных на диско­ вом столе 10, ввинчен­ ном внутрь цилиндра.

При работе электромагниты и индукционные катуш­ ки устанавливают против соответствующих им башма­ ков из мягкого железа и постоянных магнитов. Наличие резьбы по всей длине цилиндра позволяет осуществлять установку стола на любой высоте и поэтому можно ис­ пытывать образцы длиной от 70 до 215 мм. Используя трубчатую печь или соленоид, можно производить из­ мерения при повышенных температурах и в магнитном поле. Во время работы прибор или устанавливают на