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

внутреинёго трёния тех же образцов В амплитудозависимой области, как правило, наблюдается зависимость величины внутреннего тре­ ния от времени, что свидетельствует об изменении состояния мате­

времени, быливпервые под­ робно исследованы в работах Чамберса с сотрудниками на моно­ кристаллах алюминия и магния. Было показано, что состояние кристалла изменялось, если кристалл достаточно долго совершал

â-ro*

Рис. 23. Изменение внутрен» него трения монокристалла А1 со временем после пред­ варительного возбуждения при постоянной амплитуде деформации, ѵ » 15 кГц; тем­

пература 60° С. Цифры у кривых — время возбужде­

ния, мин

колебания при амплитудах деформации е >• е0. Однако воспроиз­

водимые кривые Qu1(е) получались, если измерения были связаны с колебаниями образца в диапазоне килогерц, которые длились не более одной или двух секунд. Было также показано, что увеличение затухания, вызванного колебаниями при высоких амплитудах, исче­ зает достаточно быстро после прекращения колебаний и первоначаль­

ная кривая Qn1(е) может быть воспроизведена через несколько часов,

* о

40

На рис. 23 показано внутреннее трение монокристалла алюминия [69], возбуждаемого при постоянной амплитуде деформации в те­ чение различных промежутков времени. Из графика видно после­ дующее уменьшение внутреннего трения после окончания возбуж­ дения. Внутреннее трение уменьшалось по закону

Qn1(t) - <Г1(°о) = (Qü1- Q™1) exp [ - ß (t - toT], t > t0a, (48)

где —конечное внутреннее трение; Qyol — максимальная величина внутреннего трения в конце периода возбуждения; t — время после

шой амплитуды, а также функция времени, прошедшего после

высокоамплитудного возбуждения. Очевидно, к измерениям Q7i\

.в которых не были учтены эффекты, зависящие от времени, нужно относиться довольно осторожно. К сожалению, во многих работах они действительно не учтены.

Амплитудонезависимое внутреннее трение'тоже зависит от вре­ мени, если образец в результате внешнего воздействия (наклеп, облучение, закалка, нагрев до температуры начала какого-нибудь превращения и т. д.) был переведен в неравновесное состояние.

В работах [74], например, было сказано, что восстановление ампли­ тудонезависимого внутреннего трения (ѵ 1 Гц) поликристаллических алюминия, серебра и платины после снятия растягивающей нагрузки (рис. 24) удовлетворительно описывается формулой

41

снятия нагрузки; Q„l — равновесное значение Qf1 при t — ро (прак­ тически при Травном нескольким часам); т — параметр, значение которого зависит от температуры измерения и предварительного напряжения а (создаваемого грузом) по закону

не превышает 0,44 эВ. Например, для алюминия (99,98%) он в за­ висимости от а изменялся от 0,2 до 0,1 эВ.

В работе [75] исследован монокристаллический алюминий (99,997%) на продольных колебаниях при частоте 30 МГц. Предва­ рительное деформирование осуществлялось сжатием на 1%. Кривые возврата хорошо описываются формулой (49); параметр Е (а) ока­ зался равным 0,11 эВ.

Возврат упругих модулей менее ярко выражен, так как упругие свойства являются структурно слабочувствительными. Они в основ­ ном определяются силами связи атомов в решетке и почти не зависят от предыстории образца. Однако высокая точность, с которой можно измерять упругие модули, особенно динамическим методом, позво­ ляет изучать возврат модулей и получать ценные сведения о про­ цессе перераспределения и аннигиляции дефектов.

Заметим, что возврат внутреннего трения и модулей после наклепа почти полностью заканчивается, когда другие свойства (твердость, текучесть и др.) и ширина линий на рентгенограммах еще только на­ чинают изменяться.

Возврат внутреннего трения (и модулей) металлов, предвари­ тельно облученных частицами высоких энергий (электронами, ней­ тронами и т. п.), подчиняется несколько иным закономерностям, хотя внешне, как это можно видеть из рис. 24, характер возврата имеет сходство с возвратом Q~ 1 наклепанных металлов.

Например, в работе [76] наблюдали возврат внутреннего трения

имодулей монокристаллов меди (99,999%), облученной нейтронами

иэлектронами. Кривая возврата амплитудонезависимого внутрен­

него трения (рис. 24, 3) хорошо [76] описывается формулой

Эта формула, которой пользуются авторы [76] при анализе своих экспериментальных данных, получена теоретически в работе [77] для описания возврата внутреннего трения наклепанных металлов. Сами авторы [77], однако, утверждают, что их теория хорошо согла­ суется с экспериментом в килогерцевом (исследованы Zn, Cu, Al

42

и NaCl) и мегагерцевом Диапазонах Частот [78], если степень пред­ варительной деформации заключена в интервале 0,5—5%. При больших и меньших деформациях теория не оправдывается.

Изменение амплитудонезависимого внутреннего трения во вре­ мени, обусловленное распадом пересыщенного твердого раствора, как показывает опыт, вполне удовлетворительно описывается урав­ нением (49), где т — эффективное время релаксации рассматривае­ мого процесса (см. [79]).

Изотермическое амплитудонезависимое внутреннее трение за­ каленных металлов можно описать уравнением, сходным с уравне­ нием (48). Действительно, как показано, например, в работе [80], рассасывание образовавшегося в результате закалки избытка ва­ кансий чпроисходит по закону

шейся части вакансий, т. е. величине (1 — /(0}> можно убедиться в справедливости вышесказанного.

4. Частотная зависимость

Амплитудонезависимая область

Как отмечалось в гл. I, определить зависимость внутреннего трения материала в интервале частот от инфразвука до гиперзвука при помощи одной методики невозможно. Однако полный механи­ ческий спектр в этом интервале можно получить, применяя ряд перекрывающихся по частоте методик. К сожалению, системати­ ческих исследований подобного рода нет. Обычно изучают зависи­ мость Q~г от со при помощи одной, редко двух методик. Поэтому имеющиеся в литературе сведения относительно Q-1 (со) различных материалов неполны, отрывочны. Анализ литературных данных по­ зволяет утверждать, что наиболее часто в качестве объекта исследо­ ваний выбирают алюминий и медь. В связи с этим, пользуясь раз­ личными литературными источниками и результатами собственных исследований, удалось построить кривые Q-1 (со) для алюминия и для меди. Они приведены на рис. 25. На этих кривых нет экспери­ ментальных точек в области частот ниже 0,1 и выше 5-10s Гц, что обусловлено трудностью эксперимента.

Изменение структуры металла (и особенно его чистоты) или внешних условий (температуры, давления и др.), как известно, существенно влияет на характер спектра. В связи с этим, а также с тем, что измерения Q~ 1 (со) проводят обычно в узком интервале частот, нет ничего удивительного в том, что иногда данные по частот­ ной зависимости внутреннего трения, полученные исследователями для одних и тех же металлов, но на разных образцах и в не совсем идентичных условиях, противоречивы.

Например, Новик (1950 г.) измерял внутреннее трение моно-

43

кристаллов меди на основной частоте (39 кГц) и на гармонике (78 кГц). Его результаты довольно разбросаны, но не показывают какойлибо заметной частотной зависимости, как это отмечено на рис. 25Алерс и Томпсон (1961 г.) в мегагерцевой области частот (5—50 МГц) при температуре 195° К наблюдали для поликристаллов меди умень.

шение Qf1*с увеличением частоты, что тоже не соответствует данным рис. 25. Токахаши (1956 г.) проводил измерения на поликристалли­ ческой меди при комнатной температуре и различных частотах от 1

до 10 кГц и обнаружил, что Qf1не зависит от частоты. В работе [81 ] пик Q'1 (со) монокристаллов меди приходится на частоту ~1 МГц.

Рис. 25. Частотная зависимость внутреннего трения поликристаллов алюминия к меди при .20° С

По данным работы [75], внутреннее трение поликристаллического и монокристаллического алюминия в интервале частот 30—150 МГц при комнатной температуре прямо пропорционально частоте, а по данным работы [78 ], на частоту 40 МГц приходится минимум внутрен­ него трения. На рис. 25, согласно работе Хольцингера (1965 г.), минимум внутреннего трения алюминия в мегагерцевой области приходится на частоту 15 МГц.

Отметим интересную зависимость Q~ 1 (со) при фазовом превра­ щении для сплава медь—алюминий—никель Г При увеличении частоты от 0,1 до 15 Гц пиковое значение внутреннего трения умень­ шается от 0,36 до уровня температурного фона —0,5-10' 3. Можноупомянуть еще об измерениях Лэмба и др. (1959 г.) на германии и кремнии. В интервале частот 100—800 МГц они наблюдали почти квадратичную зависимость коэффициента затухания от частоты. Однако германий и кремний — полупроводники и, возможно, эти результаты не типичны для металлов.

1 К о м а р о в В. Г. Фазовые превращения и внутреннее трение в поли- и монокристаллах сплавов Си—А1—Ni и Си—А1—Мп. Автореф. канд. дкс. Воро­ неж, 1971.

44

АмплиТудозавйсймая область

Данные о частотной зависимости QH1 еще более ограниченны,

меди при основной частоте (39 кГц) и на второй гармонике. Разброс данных °т образца к образцу был большим, но результаты все же указыва10Т иа отсутствие зависимости затухания от^частоты колеба­ ний. В опытах Каменецкого (1956 г.) с монокристаллами меди при различных гармониках в килогерцевой области также имеется не­ который разброс, но при увеличении частоты появляется тенден­

ция к возрастанию QFi1.

Имеется немного данных относительно, зависимости Qül от со для свинца, цинка, углеродистых, малолегированных и специальных "[82] сталей и др. Хики (1958 г.) измерял внутреннее трение отож­ женных монокристаллов свинца на основной частоте колебаний образца (64 кГц) и третьей гармонике (192 кГц) и не обнаружил за­

метной частотной зависимости. Рид (1940 г.) измерял Qn1 монокри­ сталла цинка при 31 и 76 кГц и обнаружил приблизительно обратную зависимость от частоты. Журавлев (1948 г.) исследовал внутреннее трение углеродистых и низколегированных сталей при комнатной

температуре в области частот 285—1180 Гц. Внутреннее трение Qj]1 с увеличением частоты снижается, но незначительно. Шаршаков и Усанов [82 ] наблюдали при 20° С для сталей 50 и СН-3 в области

частот от 0,8 до 20 Гц весьма заметную зависимость Qül от ©. Эта зависимость проявляется тем более заметно, чем больше амплитуда деформации.

Совершенно очевидно, что установление характера зависимости внутреннего трения материала от частоты при различных амплитудах деформации в широкой области частот имеет важное, принципиальное значение. И хотя получение механических спектров сопряжено с боль­ шими экспериментальными трудностями, не следует от этого отка­ зываться. Спектры нужны в первую очередь для проверки теорий, создаваемых различными исследователями.

5. Температурная зависимость

Температурная зависимость внутреннего.трения изучалась наи­ более полно (см. обзор работ [83—90] и др. *). И все же в исследова­ ниях температурной зависимости внутреннего трения следует отме­ тить по меньшей мере два крупных недостатка, "первый из них заклю­ чается в том, что многие исследователи до недавнего времени не ука­ зывали, содержит ли измеряемая величина Q"1 амплитудозависи­ мую составляющую. Поэтому мы рассмотрим в основном только те работы, в которых указано это разделение. Второй недостаток заклю­ чается в отсутствии исследований Q~l (7) одним каким-нибудь ме­

1 См. также сноску на стр. 17.

45

тодом от температур ниже 1° К до температур плавления образца. Практически это вполне осуществимо. Отсутствие подобных иссле­ дований связано с тем, что почти все авторы опубликованных работ не исследовали общей закономерности температурной зависимости внутреннего трения, столь необходимой для обоснования метода внутреннего трения, а решали какую-нибудь конкретную металло­ ведческую или металлофизическую задачу, используя большую чувствительность метода к структурным изменениям. Вот почему наглядные представления о температурном спектре можно получить лишь на основе анализа и обобщения многих работ.

Рассмотрим основные результаты исследований температурной зависимости внутреннего трения металлических материалов в раз­ личных частотных областях.

Инфразвуковой диапазон частот

Инфразвуковые методы практически охватывают, как отмечалось выше, полосу частот примерно от ІО-4 до 100 Гц. К сожалению, исследования Q“1 (Г) в интервале частот от 10"4 до 10-1 Гц не про­ водились. Нет систематических исследований Q-1 (Г) и в области частот 10—100 Гц.

Наибольшее число исследований Q'1 (Т) выполнено в диапазоне ІО'1— 101 Гц в основном при помощи крутильного маятника.

К настоящему времени этим методом исследована температурная зависимость внутреннего трения большинства элементов таблицы Менделеева, обладающих металлической связью, и многих двойных и тройных сплавов на их основе. Исключение составляют лантаниды (кроме Gd, Tb), актиниды (кроме Th, U, Np, Pu), элементы Na, К, Тс, Cs, At, Fr, Ra, Ас и металлические трансурановые. .

Как показывает опыт в области температур от 10° К до темпера­ тур, составляющих 0,5—0,6 от Тпл, Q"1 (Т) у хорошо отожженных совершенных металлических монокристаллов, не испытывающих при.нагреве каких-нибудь превращений (фазовых, аллотропических) и релаксационных процессов с сот 1, монотонно возрастает с ростом температуры и притом почти линейно. При более высоких темпера­ турах (выше 0,5—0,6 Тпл) наблюдается почти экспоненциальное

возрастание величины Qf1. В тех случаях, когда в исследуемом интер­ вале температур возможны фазовые или релаксационные процессы с сот я» 1, на низкотемпературный (до ~0,5 Тлл) и высокотемпера­ турный (выше 0,5—0,6 Гпл) фоны внутреннего трения накладываются максимумы.

На рис. 26 представлена температурная зависимость внутрен­ него трения алюминия и железа. Как видно из рисунка, спектры достаточно просты. У каждого металла на кривой Q'1 (Т) ясно видно по два максимума. Отсутствие максимумов А и С на кривых монокристаллических алюминия и железа позволило Кэ (1948 г.) объяс­ нить их природу вязким скольжением по границам зерен. Небольшой максимум В связывают с релаксацией напряжений по границам блоков (см. гл. V). Максимум D несомненно обусловлен переходом

46

а- в у-железо [84, 91 ]. Все исследованные металлы (см. например, [92, 93] и др.) в той или иной мере обнаруживают зернограничный

Q'lw3

Рис. 26. Температурная зависимость внутреннего трення алю­

пик, но далеко не всеблочный. Полиморфное превращение, как пра­ вило, характеризуется резким изменением уровня внутреннего тре­ ния вблизи точки полиморфного превращения (см., [84, 91, 93—95]

Многочисленными исследованиями показано, что температурный спектр чистых хорошо отожженных металлов сравнительно прост. Он представляет собой общий фон, на который накладываются пики, обусловленные релаксацией напряжений по границам раздела, по­ лиморфными превращениями, ферромагнетизмоми т. д. Характер тем­ пературного спектра зависит от многих факторов (степени и вида

47

предварительной деформации, скорости нагрева и охлаждения образца при измерении внутреннего трения, наличия в решетке ме­

приводит к появлению (ю/2я«*1 Гц) двух новых максимумов при 20 и 40° С (рис. 29, пики А и В). Высота максимумов пропорциональна

C ’-W1

Рис. 29. Температурная за­ висимость внутреннего тре­

ния армко-железа при раз­ личных степенях деформа­

ции обжатием, ѵ и I Гц:

/ — 0; 2 - 5%; 3 — 42%; А — азотныіі пик; В —угле­ родный пин

весовой концентрации внедренных атомов и зависит от величины зерна и ориентационного фактора, а также определяется химиче­ скойприродой внедренного атома. Эти максимумы впервые обнару­ жил и объяснил Сноек (1941 г.) *, и с тех пор их называют по имени первого исследователя, т. е. максимумы Сноека.

* См. также обзор в работе Ю. В. Пигузова (см. сноску на стр. 17).

49

Как показали дальнейшие многочисленные исследования, макси­ мумы, обусловленные атомами внедрения, характерны и для других металлов с о. ц. к. решеткой (а-Сг, V, Nb, Ta, Mo, W).

В наклепанных о. ц. к. металлах, содержащих атомы внедрения, наряду с пиками Сноека могут возникать новые пики.

Так, в работе [92] найдено два максимума Q* 1 (Т) при . темпе­ ратурах —323 и 500° К (рис. 29). Первый (323° К) пик С еще не по­ лучил своего объяснения [92, с. 85; 84]. Второй пик, впервые обна­ руженный Сноеком (1941 г.), а затем Кэ (1948 г.), иногда ошибочно именуют пиком Кестера 1. В дальнейшем мы будем называть его пи-

сталла латуни при —690° К на частоте 620 Гц, который, по его мне­ нию, обусловлен переориентацией осей пар растворенных атомов под действием внешнего напряжения. На частоте —1 Гц такой пик най­ ден Новиком в.системе Ag—Zn (рис. 30). Теория Зинера была под­ вергнута экспериментальной проверке на многочисленных системах твердых растворов замещения. Наиболее полно исследованы две системы: Ag—Me [101—104 и др. ] и Си—Me [105 и др. ]. Некоторые тройные системы на основе алюминия и золота исследованы в ра­ ботах [106 и др. ].

Эффект Зинера обнаруживается' в твердых растворах замещения и известен для всех трех простых решеток. Эффект является объем­ ным и не связан с присутствием дислокаций и границ зерен, но лучше он проявляется в монокристаллах.

^Фазовые превращения первого рода связаны с образованием гра­ ниц раздела, что должно отмечаться возникновением на кривой Q'1 (Т) новых пиков. Действительно, Клэрбро (1957 г.) обнаружил группу максимумов на кривой Q-1 (Т) латуни и Мальцева (1958 г.) —

1 См. сноску на стр. 17-