Внутреннее трение металлов
Характеристика химических и физических свойств металлов. Отношение металлов к окислителям - простым веществам. Физический смысл внутреннего трения материалов. Примеры применения метода внутреннего трения в металловедении. Поиск динамического модуля.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.10.2014 |
| Размер файла | 827,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- 1. Металл, химические и физические свойства металлов
- 1.1 Физические свойства металлов
- 1.2 Химические свойства металлов
- 1.2.1 Отношение металлов к окислителям - простым веществам
- 2. Внутреннее трение металлов
- 2.1 Физический смысл внутреннего трения
- 2.2 Примеры применения метода внутреннего трения в металловедении
- Заключение
- Список литературы
Введение
ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ в твёрдых телах - свойство твёрдых тел необратимо превращать в теплоту механическую энергию, сообщенную телу в процессах его деформирования, сопровождающихся нарушением в нём термодинамического равновесия.
Механическая энергия колеблющегося твердого тела очень быстро превращается в тепло, даже если тело полностью изолировано от окружающей среды. Это превращение энергии, а также последующее затухание колебаний, приписывают наличию внутреннего трения. Внутреннее трение является наиболее структурно-чувствительной физической характеристикой. Метод внутреннего трения нашел широкое распространение при исследовании различных процессов: рекристаллизации, закалки, дисперсионного твердения, пластической деформации.
Внутреннее трение в металлах, особенно в чистых, очень чувствительно к холодной деформации. Даже при весьма осторожном, манипулировании с чистым отожженным монокристаллом его внутреннее трение может увеличиться в несколько раз. Кроме того, облучение нейтронами или гамма-лучами значительно уменьшает внутреннее трение; это вполне естественно, если допустить, что точечные дефекты, образовавшиеся в результате облучения, диффундируют к дислокациям и затрудняют их движение. Обнаружено, что внутреннее трение металлов с примесями обычно значительно меньше, чем внутреннее трение чистого материала.
1. Металл, химические и физические свойства металлов
Металл это (название происходит от лат. metallum - шахта) - группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло - и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и др. К металлам относятся примерно 70 % всех химических элементов
Характерные свойства металлов
Металлический блеск (кроме йода и углерода в виде графита. Несмотря на свой металлический блеск, кристаллический йод и графит относятся к неметаллам.)
Хорошая электропроводность (кроме углерода.)
Возможность лёгкой механической обработки.
Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов.)
Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и
щелочные металлы.)
Большая теплопроводность
В реакциях всегда являются восстановителями.
1.1 Физические свойства металлов
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако они обладают различной твёрдостью. Так, щелочные металлы легко режутся кухонным ножом, а такие металлы, как ванадий, вольфрам и хром легко царапают самую твёрдую сталь и стекло. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.
Температуры плавления лежат в диапазоне от - 39°С (ртуть) до 3410°С (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые "нормальные" металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ч 5 r/cMi) и тяжёлые (5 ч 22,5 r/cMi). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 r/cMi). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия - двух самых тяжёлых металлов - почти равны (около 22.6 t/cmi - ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.
Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые "провода" получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света - это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий - из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый - светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
1.2 Химические свойства металлов
Характерным химическим свойством металлов является их восстановительная активность, т.е. способность переходить в состояние положительно заряженного иона, теряя при этом электроны:
Me - пё = Меп+
Количественно восстановительная активность металлов определяется: величиной Еи атома металла (для реакций, протекающих в газовой фазе); величиной стандартного электродного потенциала металла j°\iCn/мс (для реакций, протекающих в растворах). При этом следует иметь в виду тот факт, что величина j? Меп+/ Me изменяется в зависимости от условий процесса, т.к. образовавшиеся ионыМеп+ могут участвовать в процессе комплексообразования.
Восстановительная активность металлов проявляется при взаимодействии их с окислителями.
1.2.1 Отношение металлов к окислителям - простым веществам
Металлы чаще всего реагируют со следующими окислителями - простыми веществами: кислородом, галогенами, серой, азотом, водородом.
Отношение металлов к кислороду.
Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, но при различных условиях:
По отношению к кислороду все металлы принято подразделять на 4 группы:
Металлы, активно окисляющиеся кислородом воздуха при обычных условиях. К ним относят: элементы 1А, ПА (кроме бериллий, магний), ШБ (кроме скандия) групп. При взаимодействии указанных металлов с кислородом могут образовываться различные продукты:
2Li+1/202 = Li 2 О
ОКСИД лития - 1
Z N ci + U - N cV2 О 2
пероксид натрия - Ѕ
2К + 20-, = Кз О 4
надпероксид калия
Металлы, окисляющиеся только с поверхности (с образованием плотной оксидной пленки, предохраняющей металл от дальнейшего окисления). К этой группе металлов относят берилий, магний, скандий, алюминий, цинк, хром, свинец. Например, при окислении алюминия образуется оксидная пленка толщиной менее 30 нм, которая защищает металл от дальнейшего окисления.
Металлы, не окисляющиеся при обычных условиях кислородом воздуха (кобальт, никель медь, теллур, рений, висмут и др.) окисляются при нагревании. Поверхностный слой (преимущественно оксидного характера) при этом металл не защищает.
Металлы, для которых устойчивы высшие степени окисления, в частности, элементы У1Б-группы, окисляются с образованием высших оксидов.
Металлы не окисляющиеся кислородом в отсутствие других реагентов: золото, серебро, палладий, иридий, платина. Для оксидов этих металлов величина D) G° (298 К) > 0, следовательно, образующиеся оксиды этих металлов должны распадаться в момент образования.
В некоторых случаях металлы, не взаимодействующие с кислородом, окисляются им в присутствии других соединений. Например, молекулы аммиака, способствующие комплексообразованию, облегчают процесс окисления меди кислородом.
Медные изделия на воздухе покрываются зеленоватым налетом - патиной, состоящей преимущественно из основного карбоната меди.
Серебряные предметы на воздухе темнеют из-за образования на поверхности металла сульфида серебра.
Медь, серебро и золото растворяются в цианидах (в присутствии кислорода).
Аллотропная модификация кислорода - озон (02) также является достаточно сильным окислителем, взаимодействующим даже с малоактивными металлами.
Отношение металлов к галогенам.
Практически все металлы при нагревании окисляются галогенами (F2, СЬ, Вг2,12) с образованием соответствующих галидов (при обычных условиях с галогенами взаимодействуют только элементы 1А-группы).
Большинство металлов взаимодействуют с галогенами при нагревании.
Отношение металлов к сере.
Ртуть с серой взаимодействует при стандартных условиях.
Все остальные металлы (за исключением золота, платины, палладия) взаимодействуют с серой при нагревании.
Отношение металлов к азоту.
При обычных условиях с азотом взаимодействует только литий. Натрий, калий, рубидий, цезий - взаимодействуют с азотом в электрическом разряде. Алюминий, марганец, магний, а также элементы ШБ, IVB, VB, VIB - групп взаимодействуют с азотом при нагревании.
Не взаимодействуют с азотом элементы IB, ПБ, VIПБ - групп, а также - олово, свинец, висмут, технеций, рений.
Отношение металлов к водороду.
При нагревании с водородом взаимодействуют металлы 1А и ПА - групп. Окислителем в данных реакциях является водород.
С остальными металлами водород непосредственно не реагирует, но образует со многими из них твердые растворы. Это приводит к повышению хрупкости и снижению пластичности металла.
Способность некоторых металлов (алюминий, элементы УБ, VIB, УШБ - групп) поглощать (адсорбировать) своей поверхностью значительные объемы водорода широко используют в катализе. Так, один объем палладия при 80°С может поглотить до 900 объемов водорода, что позволяет использовать его (как и некоторые другие металлы, например, никель) в качестве катализатора в реакциях гидрирования (восстановления водородом).
Отношение металлов к окислителям - сложным веществам.
В качестве окислителей сложного состава, с которыми чаще всего контактируют металлы, обычно рассматривают воду, водные растворы щелочей и кислот.
По химической активности в водных средах все металлы условно делят на: активные - стоящие в ряду напряжений от лития по алюминий (включительно), средней активности - стоящие в ряду напряжений от алюминия до водорода, малоактивные - стоящие в ряду напряжений после водорода.
Следует отметить, что восстановительная активность металлов может существенно изменяться в зависимости от условий протекания реакции. В частности, при комплексообразовании величина электродного потенциала металла значительно уменьшается.
Аналогичный характер изменения величины электродного потенциала металла наблюдают, если в процессе реакции образуются малорастворимые соединения.
Отношение металлов к воде.
В реакциях данного типа роль окислителя играют ионы водорода, образующиеся при диссоциации молекул воды. При pH = 7 jAm m = "0.41 В, следовательно, с водой теоретически могут реагировать все металлы, имеющие величину j° меньше - 0,41 В. Реально же наблюдается следующее:
а) активные металлы интенсивно взаимодействуют с водой, вытесняя при этом водород.
Аналогичная реакция с магнием протекает при нагревании, исключения составляют: - берилий, алюминий и скандий, поверхность которых покрыта прочными оксидными пленками, нерастворимыми в воде; магний, образующийся гидроксид которого - Mg (OH) 2, малорастворим;
б) металлы средней активности при стандартных условиях с водой практически не реагируют, т.к. они или покрыты оксидными пленками, или образуют труднорастворимые гидроксиды (хром, никель, цинк) на поверхности металлов. Данные металлы могут разлагать воду при достаточно высоких температурах (до 1000°С).
в) малоактивные металлы с водой при обычных условиях не взаимодействуют, поскольку величина их стандартного электродного потенциала значительно больше потенциала окислителя (-0,41 В) и термодинамически данная реакция невозможна.
Отношение металлов к водным растворам щелочей.
С водными растворами щелочей взаимодействуют металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода и образующие амфотерные гидроксиды: берилий, алюминий, цинк, хром, олово, свинец. Взаимодействие часто обусловлено сдвигом величины электродного потенциала металла в сторону отрицательных значений за счет процесса образования гидроксокомплексов. Тем не менее, данный процесс возможен. Его можно представить в виде двух более простых:
1) взаимодействие металла с водой.
2) растворение образующегося амфотерного гидроксида в избытке щелочи с образованием гидроксокомплекса.
Отношение металлов к кислотам.
По окислительной активности кислоты условно делят на 2 группы:
1) кислоты - слабые окислители. В растворах этих кислот окислителем является ион водорода.
2) кислоты - сильные окислители. Окислителями в растворах этих кислот являются кислородсодержащие анионы.
Отношение металлов к кислотам - слабым окислителям.
Величина стандартного электродного потенциала окислителя (Н+) при pH = 0 равна j°2ii+л 12 = О В. Следовательно, металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода (j°MCn - мс < 0), должны вытеснять его из растворов этих кислот. Исключение составляют металлы, которые при взаимодействии с данными кислотами образуют труднорастворимые соединения.
Некоторые малоактивные металлы, не взаимодействующие с разбавленными растворами кислот - слабых окислителей, взаимодействуют с концентрированными растворами этих же кислот. В частности, медь не взаимодействует с разбавленными растворами соляной кислоты, но растворяется в ее концентрированных растворах за счет процесса комплексообразования.
Ряд металлов, для которых характерны устойчивые соединения в высшей степени окисления образуют анионные комплексы.
Отношение металлов к кислотам - сильным окислителям.
а). Отношение металлов к концентрированной серной кислоте.
Окислителем в концентрированных растворах серной кислоты является сера в ионах HSCV, SO42'. В зависимости от активности металла он может восстанавливаться до H2S, S или до S02. Кроме этих соединений, во всех трех случаях основными продуктами реакции также являются соответствующая соль (сульфат или гидросульфат) и вода.
Некоторые металлы взаимодействуют с концентрированными и разбавленными растворами серной кислоты неодинаково. Так, олово с разбавленной серной кислотой образует соль катионного типа, повышая свою степень окисления до (+2), а с концентрированной серной кислотой образует соль, в которой олово находится в высшей степени окисления (+4).
В концентрированных растворах серной кислоты пассивируются на холоду алюминий, хром, железо, кобальт, никель, титан, цирконий, гафний, молибден, вольфрам и др.
Не взаимодействуют с серной кислотой: платина, золото, рутений, родий, иридий, и др.
б). Отношение металлов к разбавленной азотной кислоте.
Окислителем в растворах азотной кислоты является нитрат-ион: N0/.
Как и в предыдущем случае, состав основных продуктов реакции определяется активностью металла, участвующего во взаимодействии.
Пассивация - торможение (или полное прекращение) химического процесса за счет продуктов взаимодействия (образование труднорастворимых оксидных, гидроксидных, солевых и иных пленок на поверхности металла). Пассивируются в разбавленных растворах азотной кислоты (на холоду) алюминий, молибден, вольфрам и др. Не взаимодействуют: платина, золото, рутений, родий, иридий.
в). Отношение металлов к концентрированной азотной кислоте.
В отличие от взаимодействия металлов с разбавленной HN03 в данном случае состав продуктов реакции менее разнообразен. В большинстве случаев нитрат-ион восстанавливается до N02. Часто процесс протекает при нагревании. Ряд элементов, имеющих высокие (+4 и более) степени окисления при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образует гидроксиды (оксиды) в данной степени окисления.
Пассивируются в концентрированных растворах азотной кислоты (на холоду) бериллий, алюминий, хром, железо, кобальт, никель, титан, цирконий, гафний, свинец, висмут но при нагревании ряд металлов начинает активно взаимодействовать с азотной кислотой. Не взаимодействуют: платина, золото, иридий, рутений, родий, ниобий, тантал.
г). Отношение металлов к смесям кислот.
Ряд малоактивных металлов (золото, рутений, смий) не растворяется (или очень плохо) в перечисленных выше кислотах - сильных окислителях. Однако, в смесях кислот, в частности, HN03 + ЗНС1 ("царская водка”) эти металлы растворяются. Вместо соляной кислоты при растворении ряда металлов предпочтительнее использовать HF (плавиковая кислота).
Отношение металлов к смесям окислителей.
Для решения ряда технологических вопросов, связанных с получением или обработкой некоторых металлов, иногда приходится использовать в качестве окислителей различные смеси сложных веществ. Можно привести процессы окисления ряда металлов в щелочной среде:
а) нитратами.
б) гипохлоритами.
в) хлоратами.
г) пероксидами.
Возможно использование и других окислительных смесей.
2. Внутреннее трение металлов
Внутренним трением называют способность материала необратимо рассеивать энергию механических колебаний. Одним из наиболее изученных механизмов внутреннего трения является эффект Снука (Сноека), который состоит в том, что наличие примесей внедрения в ОЦКметаллах вызывает при определенных условиях появление максимума на температурной зависимости внутреннего трения. Изучение этого эффекта дает ценную информацию о параметрах диффузии и локальном окружении примесных атомов. Наряду с внутренним трением для исследования свойств твердых растворов используют и другие релаксационные свойства - упругое последействие, релаксацию напряжений и модулей, температурные зависимости модулей упругости и т.п.
Одним из первых в СССР широко разрабатывать релаксационные методы исследования твердых тел начал профессор Борис
Николаевич Филькенштейн, долгие годы проработавший в Московском институте стали и сплавов. В последствии на нескольких кафедрах МИСиС сложились научные школы, активно проводившие такие исследования. На кафедре высокотемпературных материалов, где он специализировался, эти исследования возглавлял профессор Евгений Иванович Мозжухин. Основными объектами изучения были дисперсно упрочненные сплавы на основе тугоплавких металлов. В 1999 г. Борис Николаевич работал над применением методов оптимизации и критериев адекватности математических моделей для решения проблемы разложения сложного релаксационного спектра на составляющие его элементарные пики. Подобные проблемы существуют и во многих других областях физики, где используются спектральные методы исследования (более точно, там, где модель представляет собой сумму некоторого числа достаточно острых однотипных пиков). Основная сложность при этом состоит в том, что количество составляющих, как правило, не известно.
Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем.
1. В быстро охлажденных от предплавильных температур двойных и тройных сплавах Nb - W (Hf) - N (0) наряду с основными пиками Снука присутствуют дополнительные максимумы, которые предположительно вызваны релаксацией атомов внедрения в ненасыщенных атмосферах дислокаций.
2. Введение вольфрама приводит к формированию комплексов атом вольфрама - атом азота, стабилизирующих твердый раствор азота в ниобии. Эго связано с тем, что атом азота в составе комплекса, согласно расчетам М.С. Блантера с сотрудниками, располагается в 4-й координационной сфере атома вольфрама. Такие комплексы не могут приводить к формированию частиц нитрида вольфрама и затрудняют формирование выделений нитрида ниобия.
3. Введение гафния приводит к формированию комплексов атом гафния - атом азота, способствующих распаду твердого раствора азота в ниобии. Это связано с тем, что атом азота в составе комплекса, согласно расчетам М.С. Блантера с сотрудниками, располагается в 1-й или 2-й координационной сфере атома гафния. Поэтому распад обусловлен формированием выделений нитрида гафния.
4. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для автоматического разложения сложных релаксационных спектров на составляющие. Они отличаются от аналогов тем, что основаны на применении квазиньютоновских алгоритмов минимизации суммы квадратов остатков модели, не содержат субъективных условий остановки итерационной процедуры и включают проверку выполнения группы критериев адекватности моделей сложных спектров. При этом устраняется субъективизм в выборе количества пиков, на которые раскладывается спектр, поскольку используемые критерии адекватности дают возможность отсекать как модели с недостаточным количеством элементарных пиков, так и модели с избыточным количеством пиков.
5. Разработаны алгоритмы идентификации математических моделей температурных зависимостей модулей упругости твердых растворов в случае наложения нескольких релаксационных процессов.
2.1 Физический смысл внутреннего трения
Рассмотрим тело, которое под действием напряжения упруго деформируется и в то же время может течь (модуль Максвелла). Общая деформация этого тела под влиянием сдвиговых напряжений равно сумме его упругой деформации и деформации течения, т.е.
?=?l+?2 или ?=?1+?2, где (1)
? - скорость деформации.
Скорость упругого смещения определяют из закона Гука, а скорость течения - из закона Ньютона. Следовательно, на основании выражений (1)
? = у/з+у/М, где (2)
? - коэффициент вязкости, М-модуль упругости.
Если тело подвергается деформации Ј0 и затем удерживается в этом состоянии, то Ј=0 и уравнение (2) будет иметь вид:
у/М+у /з=0 (3)
Решение этого уравнения:
у=у () exp (-M/з*t). (4)
Таким образом, ослабление (релаксация) напряжения в теле со временем носит экспоненциальный характер и выражается временем релаксации:
ф=у/М.
При наложении напряжений в некоторый момент t1 пружина мгновенно растягивается на величину у/М, а поршень начинает перемещаться со скоростью у/з. При снятии напряжения в момент t2 пружина мгновенно сокращается, а поршень остается в выдвинутом состоянии. Если к этому телу приложить периодически меняющееся напряжение у (t) =у0exp (iщt), то будет наблюдаться рассеяние энергии колебаний. Подставляя у (t) в уравнение (2) и интегрируя его, найдем
?=I*у, где (5)
Й*=1/iщз+1/М -
обратная величина комплексного модуля М* или податливость. Из уравнения (5) следует:
M*=iщз/l+iщф, где (6)
i-число периода;
щ-частота;
ф-время релаксации.
Внутреннее трение определится по формуле:
Q?б=1/щф=M/щз (7)
Динамический модуль
МЁА=МщІф/1+щІф2 (8)
Известно, что коэффициент вязкости однородных изотропных тел с повышением температуры быстро уменьшается. Значит внутреннее трение тела Максвела, согласно уравнению (7), будет постоянно возрастать по мере увеличения температуры. Поэтому модель Максвелла можно использовать для приближенного описания высокотемпературного фона внутреннего трения.
В модели Зинера предполагается, что среда представляет собой смесь двух фаз: одна имеет максвелловскую природу, другая - чисто упругую. Дифференциальное уравнение, соответствующее модели Зинера, имеет вид:
у +з/M2 у =M1 ? + з ?. (9)
Если у =0, то уравнение (9) имеет вид: у + з /M2 у = M1 ? 0 и следующее решение:
у (t) =M1 ? 0+ (? 0-М0 ? 0) exp (-t/ф?), где (10)
ф? =з/М2-время релаксации напряжения при условии постоянной деформации.
Если у=0, то уравнение (9) имеет решение вида:
? (t) = M1 у0 + (? 0-М?? у 0) ехр (-t/ф у), где (11)
ф у = з /М1 время ретардации (запаздывания).
Вводя новые постоянные ф?: и ф у в уравнение (9), получаем
у + ф? у =M1 (? + фу ?). (12)
Подставив в уравнение (12) периодически меняющиеся у и ?, получим у =М* ?, где комплексный модуль
М*= (1 +iщ фу /1 + iщ ф?) М1. (13)
комплексный модуль
Внутреннее трение и динамический модуль можно найти по уравнениям:
Q?1=щ (фу - ф?) /1 + щ 2 фу ф? (14), Mg=M1 1+ щ 2 фу ф? /1+ щ 2 ф2 (15)
внутреннее трение металл окислитель
динамический модуль
Выражение (14) имеет смысл только в том случае, если фу - ф? >0. Для реальных тел это возможно.
Уравнение (14) и (15) можно преобразовать к виду:
Q?б= (M2-M1/M) (щф / 1 + щ 2 ф2); (16)
Mg = M2 - (M2-M) / (1+ щ 2 ф2). (17)
В этих формулах М1 и М2 можно заменить
М2=МН и М1=МР,
где Мн и Мр - нерелаксивированный и релаксивированный модуль соответственно.
Множитель зМ= (М2-М1) /Мвуравнении (16) определяет степень релаксации модуля, которую называют еще дефектом модуля. m=vm1m 2-средний геометрический модуль;ф =v фу ф? - среднее геометрическое время релаксации. Внутреннее трение, определяемое формулой (16), принимает максимальное значение QMax1=1 /2зМ, при щф=1, т.е. тогда, когда частота колебаний щ равна обратной величине времени релаксации ф. Поскольку внутреннее трение Q?1 зависит от частоты и времени релаксации через произведение щф, можно оставить неизменной щ, а менять ф изменением температуры. Такой путь очень удобен, особенно если учесть, что для большинства процессов, происходящих в металлах, время релаксации изменяется по уравнению Арениуса:
ф=ф0е?H/RT, где (18)
ф0-время релаксации при ОК; Н-энергия активации процесса; R - универсальная постоянная.
2.2 Примеры применения метода внутреннего трения в металловедении
За последнее время метод внутреннего трения получил достаточно широкое распространение для решения металловедческих задач.
С помощью Q?1 можно определить энергию активации процесса. Учитывая, что Q?1 для модели Зинера зависит от произведения щф и используя уравнение, можно записать уравнение максимума Q?1 (Т):
щф exp (-H/RT) =l.
Из этой формулы вытекает несколько способов определения энергии активации Н релаксационных процессов, вызывающих появление пиков на кривой Q ?1 (Т).
Рассмотрим один из них - частотный сдвиг пика. Если изменить частоту колебаний образца, то релаксационный пик Q?1 (Т) сместится по шкале температур на некоторую величину зТ=Т2 - Т1. По известным Т2, Т1, щ2 и щ1 можно легко определить Н и ф по формулам:
H=R (Т2 Т1/Т2 - Т1) In (щ2/щ1);
ln ф=1/2*H/R (Т2+ Т1/Т2 Т1) - 1/2ln (щ2/щ1).
По найденным значениям энергии активации процесса легко найти коэффициент объемной диффузии по формуле:
D=D exp (-H/RT).
Высота пиков Q ?1 зависит от концентрации внедренных атомов и чем она больше, тем больше высота пика.
Большое влияние на величину пика внутреннего трения чистых металлов оказывают примеси, которые сосредоточиваются в основном на границах зерен и блокируют их. Это может привести к полному исчезновению максимума. Применение метода внутреннего трения позволило изучить фазовые превращения в карбидообразующей стали с 25% хрома и 20% никеля. Кроме того, этот метод позволяет определять концентрацию растворенного элемента; степени упрочнения границ зерен; область температурной устойчивости той или иной фазы и структурных составляющих; явления интеркристаллитной коррозии; количество газов в металлах, а также исследовать кинетику процесса дисперсионного твердения и т.д.
Заключение
К металлам относят простые вещества, образованные атомами элементов, имеющих небольшое число (от 1 до 4) электронов на внешнем энергетическом уровне. Атомы металлов обладают тенденцией к отдаче электронов, поэтому для них характерна высокая восстановительная активность, определяющаяся низкими значениями энергии ионизации (Еи) валентных электронов атомов. Известно, что в пределах одного периода величина Еи возрастает с увеличением порядкового номера элемента, а в главных подгруппах - уменьшается. Такая тенденция изменения восстановительной активности атомов и объясняет тот факт, что элементы - металлы находятся в Периодической системе (длиннопериодный вариант) левее диагонали "бор - астат".
Малые механические напряжения (в упругой области) вызывают в твердом теле движение различных дефектов кристаллического строения, что приводит к рассеянию энергии механических колебаний, то есть внутреннему трению. Измеряя внутреннее трение при различных температурах и частотах колебаний, можно выделить эффекты, вызванные движением того или иного типа дефектов, и получить уникальную информацию о реальном строении твердого тела. Поэтому измерение внутреннего трения (механическая спектроскопия) - мощный метод изучения тонкого строения твердых тел, обладающий как высокой селективностью, так и высокой чувствительностью.
Знание механизмов внутреннего трения используется также для создания материалов с высоким или низким демпфированием механических колебаний, применяемых в различных областях техники
Список литературы
1. Бахрушин В.Е., Чириков А.Ю. Особенности механической релаксации азота в сплавах ниобий - вольфрам, закаленных от высоких температур // Вопросы атомной науки и техники. - 2006. - 2006. - № 1. - С.120 - 123.
2. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Липецкий Я.Л., Физические свойства металлов и сплавов, 2 изд., М., 1980
3. Зайцев Б.Е., Общие физические и химические свойства металлов, М., 1987
4. Брантер Р.С. "Что такое внутренние трения" 2004 г.
5. Физическое металловедение. Под ред.Р. Кана. Вып.1 и 2.М., "Мир", 1968.
6. Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах. М.: Атомиздат, 1975.
7. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. М.: Металлургия, 1969.
8. Блантер М.С., Пигузов Ю.В. и др. Метод внутреннего трения в металловедческих исследованиях. М.: Металлургия, 1991
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Механизм и роль контактного трения при обработке металлов давлением. Виды трения в условиях пластической деформации. Технологические особенности и проблемы процесса волочения в гидродинамическом режиме трения. Пути его дальнейшего совершенствования.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 03.06.2012Свойства металлов и сплавов. Коррозионная стойкость, холодостойкость, жаростойкость, антифринционность. Механические свойства металлов. Диаграмма растяжения образца. Испытание на удар. Физический смысл упругости. Виды изнашивания и прочность конструкции.
контрольная работа [1006,5 K], добавлен 06.08.2009Физические свойства металлов. Способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Плотность металла и температура плавления. Значение теплопроводности металлов при выборе материала для деталей. Характеристика магнитных свойств.
курс лекций [282,5 K], добавлен 06.12.2008Методы изучения защитных металлсодержащих пленок на поверхностях трения. Исследование контактной выносливости тел качения в моторных маслах с различными физико-химическими свойствами в двигателях внутреннего сгорания. Взаимодействие поверхностей трения.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 09.06.2015Крупные изобретения конца XVIII в. в металлургии. Экономичность процесса производства прессованием профилей сложной формы и сечений. Упругая, пластическая и холодная деформация металла. Классификация методов обработки металлов давлением. Роль силы трения.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 08.05.2012Понятие металла, электронное строение и физико-химические свойства цветных и черных металлов. Характеристика железных, тугоплавких и урановых металлов. Описание редкоземельных, щелочных, легких, благородных и легкоплавких металлов, их использование.
реферат [25,4 K], добавлен 25.10.2014Распространенность металлов в природе. Содержание металлов в земной коре в свободном состоянии и в виде сплавов. Классификация областей современной металлургии в зависимости от методов выделения металлов. Характеристика металлургических процессов.
презентация [2,4 M], добавлен 19.02.2015Химический состав чугуна, характеристика его элементов. Влияние значения марганцевого эквивалента на эксплуатационную стойкость чугунных изделий. Процесс кристаллизации металлов и сплавов. Способы защиты металлов от коррозии. Область применения прокатки.
контрольная работа [30,5 K], добавлен 12.08.2009Понятие, классификация и механизм проявления деформации материалов. Современные представления про теорию разрушения материалов. Факторы, которые влияют на деформацию. Упругопластические деформации металлов и их износ. Особенности разрушения металлов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.12.2010Методика производства стали в конвейерах, разновидности конвейеров и особенности их применения. Кристаллическое строение металлов и её влияние на свойства металлов. Порядок химико-термической обработки металлов. Материалы, применяющиеся в тепловых сетях.
контрольная работа [333,8 K], добавлен 18.01.2010
