книги из ГПНТБ / Постников В.С. Внутреннее трение в металлах
.pdfв. с. п о с т н и к о в
Внутреннее
трение в металлах
Издание второе, переработанное и дополненное
МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1974
КОНТРОЛЬНЫЙ
ЭКЗЕМПЛЯР
УДК 669.539.67 .
/.5
п
УДК 669.539.67
Внутреннее трение в металлах. 2-е изд. П о с т н и к о в в. с. м.,
«Металлургия», 1974. 352 с.
Книга является вторым существенно переработанным и дополнен ным изданием. В ней содержатся результаты экспериментальных и тео ретических исследований, выполненных учеными различных стран. Приведены методы измерения внутреннего трения при различных частотах и основные результаты экспериментальных исследований ча стотной, амплитудной, температурной и временной зависимостей вну треннего трения различных металлических и неметаллических мате риалов. Показана возможность использования внутреннего трения в качестве тонкого метода физического исследования сверхпроводи мости, диффузии, фазовых превращений, динамики дислокаций, а также структуры реальных конструкционных материалов.
Предназначена для научных работников, инженеров—металлове дов и металлофизиков; может быть использована также студентами и аспирантами, специализирующимися в области металловедения, физики металлов, материаловедения и физики твердого тела. Ил. 151. Список лит.: 626 назв.
0311—026 040 (01)—74 114—74
© Издательство «Металлургия», 1974.
|
О г л а в л е н и е |
|
Предисловие .................................................................................. |
6 |
|
Введение ......................................................................................... |
7 |
|
|
Глава I |
|
|
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО |
|
|
ТРЕНИЯ ................................................................... |
9 |
1. |
Меры внутреннего трения. Связь между различными ме |
|
|
рами ............................................................................................ |
9 |
2. |
Методы определения величины внутреннего трения . . . . |
16 |
3. |
Выбор методики и оценка ошибок при измерении внутрен |
|
|
него трения .............................................................................. |
31 |
|
Глава II |
|
|
ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕ |
|
|
ЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВНУТРЕННЕГО |
|
|
ТРЕНИЯ................................................................... |
35 |
1. |
Общие замечания...................................................................... |
35 |
2. |
Амплитудная зависимость....................................................... |
36 |
3. |
Зависимость от времени........................................................... |
39 |
4. |
Частотная зависимость ........................................................... |
43 |
5. |
Температурная зависимость.................................................... |
45 |
|
Глава III |
|
|
МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВНУТРЕН |
|
|
НЕГО ТРЕНИЯ (НЕОГРАНИЧЕННАЯ СРЕДА) |
56 |
1. Общие замечания...................................................................... |
56 |
|
2. |
Теория реологических моделей ............................................ |
57 |
3. |
Термодинамическая теория .................................................... |
65 |
4. -Наследственная теория ....................................................... |
77 |
|
5. |
Анизотропные т е л а ................................................................... |
81 |
6. |
Линейные колебания. Резонансныепотери............................. |
82 |
7- Нелинейные колебания ........................................................... |
86 |
|
|
Глава IV |
|
|
МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ |
|
|
ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ (ОГРАНИЧЕННАЯ |
|
|
СРЕДА) . . . ........................................................ |
95 |
1. Общие замечания...................................................................... |
95 |
|
2. |
Свободные колебания крутильного маятника.......................... |
97 |
3. |
Вынужденные колебания крутильногомаятника.................... |
114 |
1* |
3 |
s 4. Свободные продольные колебания стержня.......................... |
|
119 |
|
5. |
Вынужденные продольные колебания стержня .................. |
|
127 |
6. |
Изгибные колебания стержня ................................................ |
|
129 |
|
Глава V |
|
|
|
ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ, |
|
|
|
ОБУСЛОВЛЕННОЕ ТОЧЕЧНЫМИ ДЕФЕКТАМИ |
|
|
|
СТРУКТУРЫ..................................................... |
141 |
|
1. Общие замечания................................................................ |
141 |
|
|
2. Диффузия одиночных вакансий |
|
142 |
|
3. Переориентировка бивакансий.......................................... |
147 |
|
|
4. Эффекты, обусловленные атомами внедрения................ |
150 |
|
|
5. Эффекты, обусловленные атомами замещения................ |
162 |
|
|
6. |
Параупругая релаксация ........................................................ |
|
168 |
|
Глава VI |
|
|
|
ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ, ОБУСЛОВЛЕННОЕ |
|
|
|
ПРОТЯЖЕННЫМИ ДЕФЕКТАМИ ................... |
|
175 |
1. Модель колеблющейся струны.......................................... |
176 |
|
|
2. |
Анизотропия дислокационной релаксации....................... |
198 |
|
3. Учет тонкой структуры дислокационного ядра................ |
200 |
|
|
4. |
Внутреннее трение, связанное с переползанием дислокаций |
. |
211 |
5. |
Возврат внутреннего трения.............................................. |
216 |
|
6. |
Поверхности раздела ............................................................... |
|
221 |
|
Глава VII |
|
|
|
ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ ПРИ ФАЗОВЫХ |
|
|
|
ПРЕВРАЩЕНИЯХ . . . ; ........................... |
227 |
|
1. Общие замечания................................................................ |
227 |
|
|
2. |
Аллотропические превращения и распад пересыщенных |
|
|
|
твердых растворов................................................................ |
228 |
|
3. |
Упорядочение сплавов ........................................................... |
|
238 |
4. |
Превращение ферромагнетика и антиферромагнетика в пара |
246 |
|
|
магнетик ........................................................... |
|
|
5. |
Превращение сегнетоэлектриков в обычный диэлектрик |
. . |
249 |
6. |
Превращение нормального проводника в сверхпроводник |
.. |
252 |
|
Глава VIII |
|
|
|
ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ, ОБУСЛОВЛЕННОЕ |
|
|
|
ЭЛЕКТРОННЫМИ И ИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ |
259 |
|
1. |
Потери, связанные с фононами и электронами................ |
259 |
|
2. Магнитоакустический резонанс.......................................... |
265 |
|
|
3. |
Ферромагнетики и антиферромагнетики. Общие замеча |
270 |
|
|
ния ................................................................................................ |
|
|
4. |
«Магнитные» потери ................................................ |
|
273 |
5. |
Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. Общие замечания |
284 |
|
6. |
Внутреннее трение сегнетоэлектрических материалов . |
.. |
288 |
7. |
Внутреннее трение полупроводников .................................. |
|
294 |
4
|
Глава- IX |
|
|
ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА ВНУТРЕННЕГО |
|
|
ТРЕН И Я ................................................................... |
301 |
1. Энергия активации процесса ................................................ |
301 |
|
2. |
Коэффициенты диффузии......................... |
305 |
3. Пределы растворимости атомов............................................ |
308 |
|
4. |
Границы зерен и блоков....................................................... |
312 |
5. |
Сверхпроводящий переход .................................................... |
316 |
6. |
Зародыши новой фазы, активационные объемы............... |
319 |
7. |
Границы доменов...................................................................... |
320 |
8. Ликвационный р аспад............................................................ |
322 |
|
9. Переходы в твердых полимерах............................................. |
328 |
|
10. |
Химическая релаксация........................................................... |
333 |
Список литературы . . . ................................................................. |
334 |
Предисловие
Для выполнения основных задач девятой пятилетки Директи вами }£ХІѴ съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 годы предусмотрено:
ускорить темпы научно-технического прогресса путем всемерного развития исследований в наиболее перспективных областях науки
исокращения сроков внедрения результатов научных исследований
впроизводство; всемерно развивать фундаментальные и прикладные научные исследования и быстрее внедрять их результаты в народное хозяйство.
Второе издание книги вызвано тем, что за последнее время воз рос интерес к методу внутреннего трения и его действительным ана литическим возможностям со стороны материаловедов и всех спе циалистов, изучающих те или иные свойства твердых тел.
Настоящее издание подверглось значительной .переработке по сравнению с первым изданием. Переработка имела своей целью отразить наиболее интересные теоретические и экспериментальные работы, появившиеся после выхода в свет первого издания.
Второе издание расширено по сравнению с первым примерно на 25% его объема за счет введения новой, IX главы и добавления нового материала во все главы, особенно в V. Последнюю в связи с ее большим объемом и соображениями методического характера пришлось разбить на две самостоятельные главы V и VI.
При подготовке книги мне очень помогли критические замеча ния, высказанные исследователями на читательской конференции по обсуждению первого издания на Сухумском совещании 1970 г. по внутреннему трению в полупроводниковых и металлических материалах, а также отзывы читателей. Пользуюсь случаем побла годарить всех тех, кто так любезно помог мне своими замечаниями
иопытом.
Явесьма признателен моим ученикам: С. А. Аммеру, В. И. Бе лявскому, Ю. С. Балашову, С. А. Гридневу, В. А. Евсюкову, И. В. Золотухину, В. И. Колтунову, А. Т. Косилову, В. Е. Мило-
шенко, Г. Н. |
Пачевской, Ю. А. Федорову, И. М. Шаршакову, |
а также С. К. |
Туркову за существенную помощь в подготовке вто |
рого издания |
книги. |
Введение
Известно, что колебания, вызванные в твердом теле, сравни тельно быстро затухают даже при отсутствии внешнего сопротив ления. Однако до середины прошлого столетия этому явлению иссле дователи не уделяли внимания. По-видимому, Кельвин (1865 г.) был первым, кто обратил на это важное явление должное внимание. Его исследования ле остались незамеченными и были продолжены трудами Максвелла (1868 г.), Фойгта (1892 г.), Вейнберга (1904 г.), Кузнецова (1913 г.), Кимбелла (1925 г.) и другими. В эти годы (до 1930 г.) шло в основном накопление экспериментальных данных о характере рассеяния энергии колебаний в зависимости от условий эксперимента, понемногу создавалась макроскопическая теория. Физическая природа явления оставалась во многом неясной, о ме ханизмах рассеяния энергии колебаний еще почти ничего не гово рили, но основа для серьезных исследований уже была создана.
Тридцатые и сороковые годы характеризуются резким увеличе нием количества экспериментальных (Кёстер, Сноек, Рид.'Кз и др.) и теоретических (Зинер, Ландау, Ахиезер и др.) исследований, направленных на выяснение сущности явления, на практическое его использование для решения задач физики твердого тела. Появ ляется необходимость в анализе накопленного материала. Первый, важный для последующего развития проблемы внутреннего трения обзор сделал К. Зинер (1940 г.). Этот обзор и особенно его известная монография [165] в значительной мере способствовали развитию проблемы рассеяния энергии колебаний в материале.
За последние два десятка лет выполнено огромное число иссле дований различного рода. Автору монографии известно значитель ное число оригинальных работ, многие из которых посвящены чисто теоретическим исследованиям. Столь большой интерес к проблеме не может быть случайным. Он продиктован соображениями позна вательного и практического характера.
Всем известно, что надежность конструкций в космический век — наиболее важная проблема. Она не может быть успешно решена без применения материалов с высокими стабильными физико-меха ническими, химическими и другими свойствами. Обеспечить ста бильность свойств существующих материалов, создать новые, обла дающие нужными для техники свойствами, — трудная задача.
Материалы, составляющие основу конструкций, как правило, эксплуатируются в переменных полях различной природы (механи ческих, температурных и т. д.) и интенсивности и потому непрерывно изменяют свои свойства. В связи с этим прогресс в области материа-
7
доведения не может быть достигнут без полного знания реальной структуры материалов, без глубокого понимания мнкропроцессов, протекающих в материалах при их обработке и эксплуатации.
Этот прогресс обеспечивается трудом многих ученых, которые для получения вышеуказанной информации применяют различные методы; среди них весьма плодотворным оказался метод внутреннего трения. Измерения внутреннего трения и дефекта модуля при раз личных частотах, амплитудах деформации и температуре опыта позволяют получить дополнительную информацию о свойствах дефектов, их расположении в материале, о взаимодействии дефектов друг с другом и, кроме того, самые разнообразные сведения о .вну тренних перестройках в микроструктуре материала, когда на него оказывается внешнее воздействие. Получить такую обширную информацию другими методами трудно, а иногда и просто невоз можно.
Целью настоящей монографии является краткий обзор экспери ментальных методов измерения внутреннего трения и результатов, полученных этими методами, а также более или менее подробное изложение макроскопической теории внутреннего трения 1 и анализ механизмов, обусловливающих различные виды потерь. Наиболее характерные механизмы (и модели) рассматриваются достаточно подробно, потери, обусловливаемые ими, оцениваются качественно и количественно, что позволяет читателю без особого труда составить ясное представление о возможностях метода внутреннего трения, целесообразности его применения при решении конкретных задач материаловедения.
1 С учетом назначения книги изложение макро- и микроскопической теории там, где это возможно, ограничено случаем одноосного напряженного состояния.
Глава I
М ето д ы
и з м е р е н и я в н у т р е н н е г о т р е н и я
1. Меры внутреннего трения. Связь между различными мерами
Колебания, искусственно созданные в твердом теле, с течением времени затухают, упругая энергия колебаний рассеивается, пре вращаясь в тепловую энергию. Различные механизмы превращения
.упругой энергии в тепловую объединены общим названием — вну треннее трение.
Для . простоты обсуждения и обозначения допустим, что поле напряжений в образце (рис. 1) можно охарактеризовать одной составляющей о (случай одноосного напряжения). Тогда можно рассматривать только одну составляющую деформации е, соответ ствующую напряжению а. Соответствующий модуль упругости, связывающий деформацию и напряжение, обозначим через М.
' В качестве меры внутреннего трения -могут быть выбраны раз личные величины. Например, за меру внутреннего трения можно выбратщэнергию, рассеянную в единице объема за одну секунду, т. е. величину
w = сте Дж/с см3. |
(1)ѵ |
Удобнее, однако, пользоваться безразмерными величинами. Наи более часто употребляемой характеристикой внутреннего трения является величина
ф = |
AWIW, |
|
(2) |
где |
__ |
|
|
AW = -^-\akdv — |
' |
(3) |
|
энергия, рассеянная за один период по всему объему |
образца, а |
||
W = ~ ^ o 0eQdv— |
_ |
(4)~ |
энергия колебаний всего образца, отвечающая амплитудным значе
ниям напряжения и деформаций. |
чаще, всего, коэффициентов |
Величину ф называют по-разному, |
|
поглощения. |
. . |
По аналогии с терминамД, применяемыми в электротехнике, можно ввести так называемуюЦеханическую добротность Qсистемы,- которую определим как умноженное на 2я отношение максимальной энергии, запасенной за один_пбриод, к энергии, рассеянной за пе
риод в том же объеме. Таким образом, |
(5) |
Зу Q = 2nW/AW. |
9