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1、材料彈性及內(nèi)耗測(cè)試技術(shù)概要彈性模量及內(nèi)耗的定義胡克定律:在施加給材料的應(yīng)力F和所引起的應(yīng)變D之間存在線性關(guān)系式中,比例常數(shù)M是一個(gè)與材料性質(zhì)有關(guān)的物理常數(shù),而不隨施加應(yīng)力的大小而變化,稱為彈性模量或簡(jiǎn)稱模量彈性模量M依應(yīng)力狀態(tài)的形式而異,對(duì)于各向同性的材料而言:?jiǎn)蜗蚶旎驂嚎s時(shí)用正彈性模量E(又稱楊氏模量)來表征。當(dāng)受到剪切形變時(shí)用剪切彈性模量G(又稱剪切模量)來表征;當(dāng)受到各向體積壓縮時(shí)用體積彈性模量K(又稱流體靜壓模量)來表征?、?、P分別為正應(yīng)力、切應(yīng)力和體積壓縮應(yīng)力;?、?、?分別為線應(yīng)變、切應(yīng)變和體積應(yīng)
2、變E、G、K具有相同的物理意義,都代表了產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的應(yīng)力,是材料彈性形變難易的衡量從微觀上講,彈性模量表征了材料中原子、離子或分子間的結(jié)合力表現(xiàn)出從彈性形變向范性變形過渡的“彈性極限”和“屈服極限”就其本質(zhì)而言,是塑性性能而不是彈性性能由于材料在形變過程中內(nèi)部存在著各種微觀的“非彈性”過程,即使在胡克定律適用范圍內(nèi)材料的彈性也是不完全的。材料的這種特性在交變載荷的情況下表現(xiàn)為應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的滯后,稱為滯彈性固體的自由振動(dòng)并不是可以永遠(yuǎn)延續(xù)下去的,即使處于與外界完全隔離的真空中,其振動(dòng)也會(huì)逐漸停止由于固體內(nèi)部的原
3、因使機(jī)械能消耗的現(xiàn)象稱為“內(nèi)耗”彈性模量的影響因素原子結(jié)構(gòu)的影響溫度的影響相變的影響合金元素的影響彈性模量的影響因素-原子結(jié)構(gòu)彈性模量是組織不敏感量,其表征了原子結(jié)合力的大小,由此,其和原子結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系在元素周期表中,原子結(jié)構(gòu)呈周期性變化,在常溫下,彈性模量隨原子序數(shù)的增加而呈周期性變化;在兩個(gè)短周期中彈性模量隨原子序數(shù)一起增大,這與價(jià)電子數(shù)目的增加和原子半徑的減小有關(guān)同一族的元素,隨原子序數(shù)的增大,彈性模量減小過渡族的金屬表現(xiàn)出特殊的規(guī)律性,它們的彈性模量都比較大,這可以認(rèn)為是由于d層電子引起較大原子結(jié)合
4、力的緣故。過渡族金屬與普通金屬?gòu)椥阅A康牟煌庍€在于隨著原子序數(shù)的增加出現(xiàn)一個(gè)最大值,,且在同一組過渡族金屬中,彈性模量與原子半徑一起增大彈性模量的影響因素-溫度彈性模量表征了原子結(jié)合力的大小溫度的升高,材料發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象,原子間結(jié)合力減弱金屬與合金的彈性模量將要降低,且隨著溫度的升高,溫度對(duì)彈性模量的影響大大增加彈性模量的影響因素-相變材料內(nèi)部的相變(如多晶型轉(zhuǎn)變、有序化轉(zhuǎn)變、鐵磁性轉(zhuǎn)變以及超導(dǎo)轉(zhuǎn)變)都對(duì)彈性模量產(chǎn)生比較顯著的影響,其中有些轉(zhuǎn)變的影響在很寬范圍內(nèi)發(fā)生,另一些轉(zhuǎn)變則在比較窄的溫度范圍里引起模量的
5、突變,這是由于原子在晶體學(xué)上的重構(gòu)和磁的重構(gòu)所造成的。彈性模量的影響因素-合金元素在固態(tài)完全互溶的情況下,即當(dāng)兩種金屬具有同類型空間點(diǎn)陣,且其價(jià)數(shù)及原子半徑也相近的情況下,二元固溶體的彈性模量作為原子濃度的函數(shù)呈近線性關(guān)系Cu-Ni合金的模量彈性模量的影響因素-合金元素在有限固溶的情況下,溶質(zhì)對(duì)彈性模量的影響有以下三個(gè)方面:由于溶質(zhì)原子的加入造成點(diǎn)陣畸變,引起合金彈性模量的降低;溶質(zhì)原子可能阻礙位錯(cuò)線的彎曲和運(yùn)動(dòng),會(huì)減弱點(diǎn)陣畸變對(duì)彈性模量的影響;當(dāng)溶質(zhì)和熔劑原子間結(jié)合力比熔劑原子間結(jié)合力大時(shí),會(huì)引起彈性模量增加,
6、反之,降低??梢?,溶質(zhì)可以使固溶體彈性模量增加,也可使之降低,視上述作用強(qiáng)弱而定。彈性常數(shù)的測(cè)定模量的測(cè)試方法歸納起來可以分為兩大類:靜力法和動(dòng)力法。靜力法:是在靜載荷下,通過測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變,建立起它們之間的關(guān)系曲線,然后根據(jù)胡克定律,以彈性形變區(qū)的線性關(guān)系計(jì)算模量值動(dòng)力法:利用材料的彈性模量與所制成試棒的本征頻率或彈性應(yīng)力波在材料(介質(zhì))中傳播速度之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)定和計(jì)算——彈性模量與試樣的固有振動(dòng)頻率平方成正比靜力法和動(dòng)力法的區(qū)別。理論上:緩慢的靜力加載過程可以看作近似于等溫形變,因此所測(cè)得的彈性模量為等溫模
7、量Mi,而高頻的機(jī)械振動(dòng)過程則足夠準(zhǔn)確地接近于絕熱形變,因此所得到的為絕熱模量Ma數(shù)值上:對(duì)金屬材料而言,Mi和Ma之間的差異不超過0.5%,故靜力法和動(dòng)力法所得到的模量通常被認(rèn)為是等效的必須指出,沒有任何一種實(shí)驗(yàn)方法直接以實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出彈性性能值,總是測(cè)量各種其他的量,而彈性性能乃是按照某種關(guān)系對(duì)所測(cè)得的量進(jìn)行計(jì)算綜合的結(jié)果目前,各種材料的彈性性能,通常時(shí)優(yōu)先考慮由基于聲頻和超聲振動(dòng)的動(dòng)力法,動(dòng)力法能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果外,動(dòng)力法具有方法上的靈活性,即在對(duì)試樣沒有很強(qiáng)的作用下,可以在同一個(gè)試樣上跟蹤研究不同的連續(xù)變化
8、因素與彈性模量的關(guān)系動(dòng)力法目前最廣泛應(yīng)用的要數(shù)共振棒法通常是把待測(cè)的材料制成等截面的棒狀試樣,在特定的支承條件下,由外部提供頻率可變的激發(fā)信號(hào),使試棒在某一頻率信號(hào)的激發(fā)下處于共振狀態(tài),根據(jù)所記錄的共振頻率按其與模量的特定關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。激發(fā)方式按傳感器的形式可分為:電磁發(fā)、靜電法、渦流法和壓電晶體法振動(dòng)的模式:縱振動(dòng)、扭振動(dòng)和彎振動(dòng)等試棒的支承形式:下支承形式、懸掛形式、