Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Внутреннее трение и механическая спектроскопия металлических материалов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник рассчитан на студентов-старшекурсников, магистров, аспирантов, а также может быть полезен материаловедам- исследовагелям и специалистам в области физики металлов, занимающимся вопросами внутреннего рассеяния энергии в материалах при их циклическом деформировании. Автор данного издания не преследует цель углубленного анализа природы неупругих явлений в твердых телах и детального рассмотрения теоретических или реологических моделей релаксации с их подробным математическим аппаратом. Основные задачи учебника - дать читателю информацию о том, какие особенности строения твердых тел приводят к внутреннему рассеянию энергии механических колебаний в материалах; рассказать про физические механизмы этих процессов; объяснить, какая информация о строении твердых тел может быть получена на основании анализа спектров рассеяния механической энергии.

Прежде всего необходимо дать пояснение терминам, использованным в заглавии книги.

Внутреннее трение (ВТ) - это способность материалов рассеивать энергию механических колебаний, переводя ее посредством различных механизмов в тепло. Ранее внутренним трением назывался также и соответствующий метод исследования материалов при циклическом деформировании в упругой области нагружения. Однако это название метода исследований имеет ряд недостатков. Во-первых, термин «внутреннее трение» отражал измерение только неупругих характеристик материала, которые недостаточны для комплексного описания поведения материала под нагрузкой, гак как изменения упругих и неунругих характеристик имеют тесную взаимосвязь. Во- вторых, внутреннего трения в материалах как такового нет, этот термин исторически наследует введенное ранее понятие внутреннего поглощения энергии в материалах. Термин «внутреннее трение» был введен в механику колебаний, по-видимому, в работах Кулона, который выделил внешнее трение образца о воздух (аэродинамические потери) и в качестве внутреннего трения рассматривал все то, что не было внешним трением. Этот термин применяют в основном к амплитудонезависимым эффектам неупругости, вызванным различными релаксационными или структурными процессами.

Демпфирование (затухание) колебаний, или демпфирующая способность (ДС), формально являются синонимами термина «внутреннее трение». Однако исторически сложилась традиция называть демпфированием рассеяние энергии в материале, вызванное гистерезисными процессами, зависимыми от величины амплитуд колебаний. Демпфирование колебаний играет важную роль в решении многих инженерных задач. Например, оно используется в сплавах высокого демпфирования (СВД), в то время как внутреннее трение рассматривается в различных физических задачах и при изучении тонкой структуры материалов.

Демпфирующую способность материалов необходимо учитывать при проектировании деталей узлов и механизмов, работающих в сложных вибрационных условиях, наряду с общепринятыми характеристиками механических свойств. При прочих равных условиях деталь из сплава, обладающего высоким демпфированием, является более надежной при значительной вибрационной нагрузке или ударе, позволяет гасить нежелательные шумы и вибрации. Высокодобротные материалы, то есть материалы с низкой демпфирующей способностью, также применяются в технике. Повышение добротности материала позволяет значительно улучшить свойства прецизионных упругих систем, в которых они используются: снижается поглощение энергии, появляется возможность уменьшить полосу пропускания частотных фильтров, понизить порог генерации и увеличить стабильность частоты автогенераторов, увеличить чувствительность резонансных сенсоров, использующихся для измерения различных величин.

Механическая спектроскопия (МС) - это метод исследования частотных, температурных, амплитудных и временных зависимостей упругих и неупругих свойств материалов. Как и любой другой спектрометрический метод, механическая спектроскопия имеет дело с физическим объектом, который подвергается воздействию возмущающего поля, параметры которого задаются исследователем, и с откликом релаксирующего объекта на это воздействие. Параметры возмущающего поля сопоставляются с параметрами отклика объекта на это воздействие для извлечения информации о строении и свойствах исследуемого объекта и особенностях его взаимодействия с воздействующим нолем. В механической спектроскопии в качестве воздействующего поля используется, как правило, периодически изменяющееся ноле приложенных к материалу напряжений, а в качестве отклика - деформация материала. В некоторых случаях метод механической спектроскопии является уникальным, так как получаемая с его помощью избирательная информация не может быть получена другими методами.

Использование метода ограничено отсутствием стандартов на характеристики внутреннего рассеяния энергии и эталонных образцов для их нормирования. При механической спектроскопии используется широкий спектр механических возмущений: квазистатическое нагружение (|/ = AW/W - рассеяние энергии за цикл колебаний), свободно-затухающие (5 = ln(Ai/A2) = ln[AjlAi+n)ln - логарифмический декремент), вынужденные (tg

(Q"1 = Д(0о,5/л/3 Юрез, соо,5 и юрез - параметры резонансных кривых) колебания, различные схемы напряженного состояния (изгиб, кручение, растяжение-сжатие), способы регистрации и расчета потерь энергии при колебаниях. Сопоставление этих характеристик возможно по соотношениям

только при малом рассеянии энергии, а при больших уровнях потерь пересчет оказывается весьма приблизительным или вообще невозможен.

Название учебника «Внутреннее трение и механическая спектроскопия металлических материалов» отражает свойство всех без исключения металлических материалов рассеивать энергию механических колебаний и методы исследований этого явления, позволяющие получить информацию о строении и свойствах твердых тел. Учебник базируется на курсе лекций, прочитанных автором в ряде отечественных и зарубежных университетов, и является основой для одноименного магистерского курса в НИТУ «МИСиС». Для понимания материала настоящей книги требуется знание курсов общего металловедения, теории дефектов кристаллического строения, механических свойств и теории упругости.

Как и любой другой косвенный метод исследования, механическая спектроскопия не всегда может дать однозначную и бесспорную трактовку наблюдаемым явлениям без поддержки других методов физического материаловедения, приводя порой к эмпирическим выводам, которые впоследствии уточняются и развиваются. Примерами закономерного углубления понимания природы неупругих явлений являются дискуссии в XVII-XIX вв. о применимости закона Гука, открытие пиковой зависимости длительности звучания стальных камертонов от температуры и частоты колебаний, сделанное Вудрофом в 1903 г. и объясненное Снуком в 1939 г. диффузией под напряжением атомов внедрения в твердом растворе на основе железа с объем- ноцентрированной кубической решеткой; применение плиг из серого чугуна в механических цехах в качестве шумо- и вибропоглощающего материала и много другое. Именно эта возможность развивать, уточнять и совершенствовать всегда оставляет место новым поколениям исследователей сказать свое веское слово в науке о материалах и механической спектроскопии в частности.

Первые шесть глав учебника посвящены теории и практике использования явления внутреннего трения и метода механической спектроскопии для анализа строения и механизмов неупругого поведения материалов под действием циклической нагрузки. В последней, седьмой, главе акцент делается на внутреннем трении как неотъемлемом свойстве функциональных металлических материалов, определяющем их демпфирующую способность.

Представленный на обложке горный пик и ник внутреннего трения имеют очень похожую форму, а их появление контролируется схожими процессами релаксации как в земной коре, гак и в металлах. Горный ник Маттехорн находится в Швейцарии, где в настоящее время существует наиболее сильная в Европе школа внутреннего трения.

Автор благодарен М.С. Блангеру, Х.-Р. Зиннингу, А.А. Ильину, И.Б. Кекало, С.Б. Кустову, X. Нойхойзеру, В.А. Хонику, И.Б. Чудакову, Ю.З. Эстрину и многим другим своим коллегам за дискуссии и многолетние совместные исследования, которые способствовали написанию этого учебника, а также коллективу кафедры металловедения цветных металлов НИТУ «МИСиС» за развитие совместных исследований и подготовку магистров по направлению механической спектроскопии металлов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы