книги из ГПНТБ / Постников В.С. Внутреннее трение в металлах

Конструктивные особенности многих крутильных маятников, теория и техника измерений подробно рассмотрены в работе Пигузова (см. сн. на с. 17) и в работе Васильцова \

6

Поперечные колебания

Методы, где используются инфразвуковые поперечные колеба­ ния, немногочисленны. В большинстве из них нет инерционной системы, связанной с образцом.

По-видимому, первым, успешно применившим инфразвуковой метод для изучения упругого последействия, обусловленного упо­ рядочением в сплавах Au—Cu, был Горский (1936 г.). Оригиналь­ ная установка [14], позволяет измерять внутреннее трение различ­ ных вязко-упругих материалов [13] * в частотной области от 10~3до ІО2 Гц при изгибных вынужденных (и свободных) колебаниях.

1 В а с и л ь ц о в Е. А. Метод акустического анализа материалов по внутрен­ нему трению. Автореф. канд. дне. Л., 1967.

* В работе [13] содержится обзор методов измерения внутреннего трения, мо­ дулей и скорости звука для твердых полимеров и пластмасс. Многие из них могут быть использованы и для измерения этих величин в металлах.

20

Схема установки длй измерения Q-1 и G металлов при изгибных колебаниях в области частот от 0,1 до ІО2 Гц, разработанная и изго­ товленная Д. Е. Солдатенко, изображена на рис. 5.

В работе [15] описан прибор для определения амплитуднозави- с-имого внутреннего трения при свободных затухающих поперечных колебаниях в диапазоне частот 30—100 Гц.

Интересная методика, позволяющая изучать внутреннее трение при частотах, практически не зависящих от упругих свойств образ­ цов, описана в работе [16]. Внутреннее трение определяли по за­ туханию изгибных колебаний связанного маятника. Частоту коле­ баний (—1. Гц) определяли по собственной частоте основного маят­ ника, который упруго связан с испытуемым образцом.

Рис. 5. Прибор для измерения Q“1 и В материалов при изгибных ко­ лебаниях вдиапазоне 0,! —2 • 102 Гц:

устройство; 5—электронный осцил­

О—образец; X —камеры для созда­ ния низких и высоких температур

Для колебаний большой амплитуды интерес представляют уста­ новка с электромагнитным возбуждением поперечных колебаний, разработанная Писаренко (1954 г.), и серия установок Яковлева (см. [9, с. 157]). Каждая установка серии предназначена для изме­ рений Q"1 при 30—50 Гц в узком интервале температур при свобод­ ных колебаниях, вызванных с помощью электромагнитов. Три установки (типа Д-3, Д-5 и Д-7) при совместном их использовании дают возможность вести исследования Q-1 в интервале температур от —196 до 1500° С в вакууме порядка 1,33 мН/м2 (ІО-5 мм рт. ст.).

Методы, в которых используются продольные инфразвуковые колебания, разработаны рядом авторов (см. [13]) преимущественно для высокоэластических материалов. Очень интересный метод измерения Q-1 этих материалов при частотах 0,05—1 Гц, возбуждае­ мых электромеханическим способом, описан в работе [17]. Вели­ чину внутреннего трения в этом методе измеряют либо по форму­ ле (23), либо по формуле (7), когда используются свободные коле­ бания.

В заключение отметим, что при помощи перечисленных инфразвуковых методик трудно изучать материалы с очень малым вну-

21

TpèHHHM трением (Q~x 10_ä), так как аппаратурный фон, обус­ ловленный потерями в креплениях и утечкой энергии через связи, почти невозможно сделать меньше 2-10“°.

Звуковые и низкие ультразвуковые методы

Для этих методов характерно отсутствие специальной инер­ ционной системы, связанной с образцом. Образец в виде стержня, совершающий крутильные, продольные или поперечные колебания, колеблется с одной из собственных частот. Для измерения могут быть использованы установившиеся вынужденные колебания и затухание собственных колебаний. В первом случае величину вну­ треннего трения определяют по формуле (23), во втором — по фор­ муле (7).

Диапазон частот зависит от типа возбуждаемых колебаний, размера и формы образцов. Возбуждение и регистрация высоко­ частотных колебаний могут быть осуществлены по-разному. Однако большинство исследователей применяют одинаковые методы воз­ буждения колебаний и их регистрации. В зависимости от способа возбуждения колебаний все методы, относящиеся к этому разделу, можно разделить на электростатические, пьезоэлектрические и электромагнитные.

Электростатическое возбуждение

При этом способе возбуждения (рис. 6) на один из концов стержня действует периодическая сила, возникающая вследствие электро­

исключить затухание, вызываемое излучением звука в воздух, для чего всю систему помещают в вакуум.

22 /

Вследствие относительно слабой связи этот метод особенно целе­ сообразно использовать при исследовании материалов с малым вну­ тренним трением. Впервые он был использован Бенкрофтом и Джекобсом (1938 г.) для возбуждения продольных и изгибных колебаний

Пьезоэлектрическое возбуждение

Сущность этого метода измерений, первоначально предложенного Куимби (1925 г.), а затем Захарьясом (1933 г.), состоит в том, что пьезоэлектрический преобразователь приклеивают к образцу в виде цилиндрического или прямоугольного стержня и полученную си­ стему настраивают в резонанс (рис. 8). Измеряя частоту и доброт­ ность системы и учитывая влияние преобразователя, можно опре­ делить свойства образца. Этот метод получил широкое распростра­ нение [23—25 и др. ] в связи с относительной простотой необходимой аппаратуры, а также вследствие того, что обычно используемые кварцевые преобразователи обладают идеальными механическими свойствами и весьма малыми потерями.

Логарифмический декремент составного стержня можно опре­ делить по формуле [23]

где

/„ = /. + 1 / . - Ы | ^ -

Здесь Шч и т2— массы образца и кварца; / 0 — резонансная частота составного стержня; /а, fp— частоты на антирезонансё и резонансе

23

соответственно эквивалентной цепи составного стержня; Ѵа и Ѵр— падения напряжения на сопротивлении 7-, последовательно соеди­ ненном с составным стержнем, при антирезонансе и резонансе.

Опыт сначала проводят только для кварца {т^ = 0) и затем для составного стержня, что позволяет найти декремент колебаний образца Sj.

В работе Маркса (1951 г.) было установлено, что на величину внутреннего трения значительно влияют деформации в цементи­ рующем слое вследствие различия коэффициентов линейного рас­ ширения кварца и образца. Указанное влияние будет мало, если образец и кварцевый стержень подобраны с близкими собственными

частотами, так что в месте склейки

частоты самого образца. В этом методе образец в виде консольно зажатой пластины помещают между обкладок конденсатора. На обкладки подаются прямоугольные импульсы напряжения и записы­ ваются кривые ползучести (деформации), которые затем анализи­ руются с применением метода Фурье. Основные достоинства метода ■—■ малые размеры образца и возможность плавно пройти широкий диапазон частот.

Электромагнитное возбуждение

Методы, использующие электромагнитное возбуждение, весьма разнообразны. Вегель и Вальтер (1935 г.), а также Файн (1952 г.) описали простой метод возбуждения, показанный на рис. 9, а. К каждому концу образца в случае необходимости (неферромагнит­ ные материалы) прикрепляют специальным цементом диск из ферро­ магнитногоматериала (якорная пластинка). Расположенный около одного из концов образца электромагнитный датчик 3, питаемый от генератора 5, создает переменное магнитное поле, которое взаимо­ действует с ферромагнитным диском 2 и приводит в колебательное движение образец. Во второй катушке-приемнике 4 создается э. д. с., которая усиливается и регистрируется. Взаимное расположение катушки (датчика) и дисков определяет тип колебаний: при соот­

24

ветствующем расположении колебания могут быть продольными

мало пригоден, так как диски в месте крепления могут перемещаться, что ведет к дополнительным потерям энергии. Кроме того, этот метод ненадежен при измерениях в области высоких температур. Фёрстер (1937 г.) устранил этот недостаток. В его методе колебания образцу передаются через проволочный подвес. Через другой подвес колеба­ ния передаются на регистрирующее устройство (рис. 9, б). Этот

■позволяет измерять логарифмический декремент и модуль упругости в широком интервале температур (до 700° С) в килогерцевом диапа­ зоне частот.

Существуют и другие способы возбуждения колебаний. Напри­ мер, в работе [32] описана установка для изучения внутреннего трения нитевидных кристаллов и тонких пленок при поперечных колебаниях образца, возбуждаемых при пропускании переменного тока через него в постоянном магнитном поле. Внутреннее трение при этом измеряют либо по ширине резонансной характеристики вынужденных колебаний, либо определяют логарифмический декре­ мент затухания свободных колебаний.

Измерение внутреннего трения при больших амплитудах дефор­ мации с использованием метода электромагнитного возбуждения успешно осуществляется на приборах, описанных в работах [33; 9, с. 179 и 187]. Установка, описанная в работе [33], предназначена для измерения величины внутреннего трения в условиях комнатной температуры при продольных и крутильных, а также при продоль­ ных и поперечных колебаниях килогерцевого диапазона частот. Установка Покровского [9, с. 179] позволяет дистанционно измерять внутреннее трение и модуль упругости радиоактивных материалов от значений 5-10" 2 до 5-10" 5 в полосе частот 60—600 Гц при нзгиб-

'25

ных и крутильных колебаниях в условиях комнатной, повышенной (до 700° С) и низкой (до —196° С) температур.

Установка Цобкалло [9, с. 187] позволяет измерять внутреннее трение металлов при изгибных колебаниях на частоте порядка 1—2 кГц от 20 до 800—1000° С.

Ультразвуковые, методы

При измерениях на частотах порядка мегагерц и выше исполь­ зуют резонансные и импульсные методы.

При измерениях резонансным методом на частотах порядка мегагерц можно использовать метод, описанный Болефом и Менесом [34]. Число приборов здесь сведено до минимума, установка состоит из стандартного Q-метра и частотомера (рис. 10). Метод основан на

К частотоперу

Рис. 10. Резонансный метод измерения затухания ульт­

развука с использованием Q-метра

том, что при резонансе происходит резкое уменьшение добротности системы, которое может быть определено с высокой точностью. По форме кривой зависимости Q от частоты возбуждения можно определить потери в образце. Достоинство этого метода состоит в том, что на высоких частотах можно работать с весьма малыми образцами (—1 мм).

В связи с резонансными измерениями на высоких частотах необ­ ходимо упомянуть также иммерсионный метод [35]. Амплитуда волны, отраженной от тонкой мало поглощающей пластинки об­ разца ег, сравнивается с амплитудой падающей волны е.; при этом частота изменяется вблизи резонансной частоты пластинки ѵ0. Поскольку волновое сопротивление жидкости по обе стороны от пластинки одинаково, при резонансе амплитуда отраженной волны ег имеет резко выраженный максимум. Для материалов, обладающих высокой добротностью, скорость звука можно найти с очень высокой точностью.

В лаборатории материалов электронной техники Воронежского политехнического института разработан и создан ряд методов и установок, отличающихся от описанного метода конструктивными особенностями и принципом действия. В одной из установок изме­ ряется разность частот автоциркуляции импульса в иммерсионной жидкости и в жидкости с образцом малой толщины. В тех случаях, когда не накладываются ограничения на размер образца, исполь­ зуется либо метод измерения частоты следования импульсов в «коль­

26

цевой» схеме [36], либо метод измерения запаздывания импульса, прошедшего через образец, с индикацией на двухлучевом осцил­ лографе [37, 38].

При измерении импульсным методом скорости и затухания на низких ультразвуковых частотах необходимо иметь весьма длинные образцы в виде проволок или полос (рис. 11). Впервые этот метод использовали Баллоу и Сильверман (1944 г.), а затем Нолле [39], Кузнецов [40] и др. Наиболее полно указанный метод разработан Володиным [41]. Сущность его сводится к следующему. Длинный образец (I )ф> d) прикрепляют одним концом к датчику (электро­ динамический, пьезоэлектрический) и натягивают горизонтально

Для определения скорости звука применяют обычно метод сдвига фаз между генератором и щупом. Перемещая щуп вдоль образца и измеряя расстояние между двумя соседними точками, находя­ щимися в одинаковых фазах колебания, определяют длину волны в образце. Зная частоту возбуждающего звукового генератора, можно определить скорость звука.

Коэффициент затухания а находят по величине тангенса угла наклона прямых:

ln Uх = ln U0— ах,

где Uх — напряжение на пластинах осциллографа, соответству­ ющее расположению щупа на расстоянии х от левого конца образца.

Подобный метод измерения а применяют в ограниченном диапа­ зоне частот (—103—105 Гц) и для материалов, у которых а не слиш­ ком велико и не очень мало [40, 41 ].

Импульсный метод в мегагерцевой области частот (10*—ІО9 Гц) состоит в возбуждении короткого импульса и в измерении времени его распространения и затухания при прохождении через образец. В самом простейшем случае измерения ведут с помощью колеблю­ щейся по толщине кварцевой пластинки, которую приклеивают к одному из концов исследуемого образца. Можно использовать также в качестве излучателя (датчика) два отдельных преобразова­

27

теля и приемника. Для генерации продольных волн применяют кварц Л'-среза, а для генерации сдвиговых волн — кварц У- или ЛС-среза. Используя гармоники кварцевой пластинки с основной частотой .20 МГц, можно работать на частотах дб 1000 МГц. Хотя конструкция такого типа сама по себе проста, необходимо обращать особое внимание на точность изготовления рабочих поверхностей образца, особенно при частотах выше 100 МГц. Рабочие поверхности должны быть плоскими с точностью до Ѵ4 длины световой'волны,

пературах пользуются такими ма­ териалами, как вязкие кремнийорганические жидкости, безводная смазка для стеклянных кранов и жидкости с низкой точкой заме­ рзания (например, спирт). При более высоких температурах следует применять кремнийорганическое масло или смесь углекислого кальция с жидким стеклом.

Блок-схема высокочастотной импульсной установки, используе­ мая нами [26], приведена на рис. 12. Принцип действия установки для измерения скорости ультразвука (1—5 МГц) заключается в не­ прерывной регистрации разности времени прохождения акустиче­ ской волны через исследуемый образец и через эталонную акусти­ ческую линию задержки.

Коэффициент затухания а определяют, сравнивая на экране осциллографа амплитуды импульса однократного прохождения с амплитудой импульса, п раз прошедшего через образец. Импульсы задающего генератора поступают (рис. 12) на излучающие пьезо­ преобразователи (датчики 3, 3') измерительной и эталонной линий, где преобразуются в импульсы ультразвуковых колебаний с частотой, равной резонансной частоте пьезопреобразователя. Одновременно импульс генератора подается на схему электронной задержки, предназначенную для запуска развертки осциллографа незадолго до прихода импульсов с измерительной и эталонной линий. Импуль­ сы, прошедшие через измерительную и эталонную линии, преобра­ зуются приемными пьезопреобразователями и поступают на уси­ лители.

2g

В канале эталонной линии задержки электрические импульсы после усиления схемой формирования преобразуются в одиночные остроконечные импульсы. Импульсы измерительной линии после прохождения усилителя 5 и эталонной линии после прохождения схемы формирования подаются на вход усилителя вертикального отклонения осциллографа ДЭСО-1 и просматриваются на его экране в виде вертикальных всплесков. Разность времени между приходом импульсов эталонной и измерительной линий фиксируется визуально отсчетом числа яркостных калибрационных меток от момента при­ хода импульса эталонной линии до момента прихода импульса изме­ рительной линии.

Таким образом, окончательную продолжительность прохождения акустического импульса через измеряемый образец определяют суммированием времени прохождения импульса через эталонную линию и отрезка времени на линии развертки между передними фронтами эталонного и измерительного импульсов. Датчик с иссле­ дуемым образцом контактирует через слой кремнийорганического или трансформаторного масла. Чтобы устранить перекосы при уста­ новке образца и улучшить акустический контакт, применяют так называемые плавающие щупы.

где сэт— скорость в эталонной'линии; 10— длина образца; t — период следования калибрационных меток; п — число периодов калибрационного напряжения, отсчитанных между принятыми сиг­ налами.

Коэффициент затухания можно определить по следующей фор­ муле:

где Un— амплитуда импульса, прошедшего п раз двойную длину 10 образца; (рс)эт, (рс)об— акустические сопротивления преобразова­ телей измерительной линии и исследуемой среды.

Импульсный метод применяется часто [42—45 и др. ]. На частотах выше 5—10 МГц [42—44 и др. ] могут быть использованы образцы малых размеров, что имеет определенные преимущества, особенно при измерениях в кристаллических материалах. К сожалению, при этом не всегда можно пренебречь дифракционными потерями. Это особенно относится к измерениям затухания звука в материале с малым коэффициентом затухания. В некоторых случаях можно исключить дифракционные эффекты, используя волноводное распро­ странение звука в образцах цилиндрической формы. Однако необ­ ходимо учитывать проявление других типов волн на цилиндриче­ ской поверхности.

Специальные методы применяют для возбуждения ферромагнит­ ных материалов. Например, Спенсер и Ле-Кроу [46] возбудили

29