材料的内耗测定

实验十材料内耗的测定,材料科学与工程学院材料物理系2014.12.12,1.实验目的,2.实验原理,3.实验设备及材料,4.实验内容与步骤,5.实验报告要求,6.思考题,实验目的,1.掌握测量材料的弹性模量和内耗的方法悬丝法。2.了解内耗和晶体缺陷的关系。3.了解内耗在材料组织结构研究中的应用。,实验原理,概述弹性：主要取决于原子间结合力的强弱。对组织不敏感。弹性模量与熔点、德拜温度、硬度等参量相关联。在机械结构的设计和性能计算时，弹性模量是必须要考虑的性能指标。内耗：内耗代表材料对振动的阻尼能力，它与材料内部的原子重排与磁重排有关。因而，内耗是结构敏感参量。它常被用于研究材料内部的结构、溶质原子与位错的交互作用等问题。是材料研究的一种重要方法。,实验原理,弹性：外力去除后，物体恢复到变形前的形状和尺寸的能力。材料的弹性模量是材料的一个基本属性，对于材料的应用非常重要。弹性模量定义：在静弹性变形阶段，应力与应变成正比。其比例系数为弹性模量。广义虎克定律：弹性范围内虎克定律（Hook）：=E其中，应力，应变，E弹性模量。,实验原理,弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标。当受到外力时，外应力将部分克服原子间的相互作用力，使原子发生相对位移而改变原子间距，产生弹性应变。由于弹性应力不足以完全克服相邻原子间的相互作用力，当外力去除后，原子间相互作用力又使其恢复到原来的平衡位置，即弹性应变消失。,（1）弹性模量的物理本质是原子间结合力大小的标志。（2）因为弹性取决于原子间结合力，故弹性模量是一个组织不敏感参数。（3）弹性模量随着温度升高而降低。由于温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大，导致原子结合力下降。,实验原理,弹性模量是工程材料重要的性能参数：,从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映；一般工程应用中都把弹性模量作为常数；用E表示，单位为（N/mm2）单位面积上承受的力；弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。,实验原理,弹性模量的测量：1）静态法：从应力和应变曲线确定弹性模量E的方法。缺点：精度底，载荷大小，加载速度影响大；脆性材料有困难。2）动态法：在试样承受交变应力产生很小应变的条件下测量弹性模量E的方法。优点：速度快，准确。试样承受极小的应力应变（10-510-7）适用于高温和交变复杂负荷条件下工作的金属零部件。比较常用的是悬挂共振法测量弹性模量。,实验原理,一个自由振动的固体，即使和外界完全隔离，它的机械能也会因为内部存在各种类型的缺陷而最终转化为热能，从而使振动逐渐停止。对于强迫振动，外界必须不断地提供能量才能维持振动，这种由于内部原因而使机械能消耗的现象叫内耗，用-1表示。当前材料内耗测量方法主要有：扭摆法（低频）、共振法（声频）和超声波脉冲法（高频）三种。,本实验采用共振法测杨氏模量和内耗，测量装置如图1所示：,图1共振法测量装置示意图,由信号发生器输出的等幅正旋波信号加在换能器的A（激振）上，通过A把电信号转换成机械振动，使振动由悬丝传给长度为L的圆棒状试样，使试样也发生振动，再由悬丝将试样的振动传给转换器B（拾振）这时机械振动又转换为电信号，该信号放大后送到示波器中显示。,试样有自己的固有频率f0，当信号发生器输出的频率不等于f0时，试样不发生共振，示波器上没有信号或信号很小，而当信号发生器输出的频率等于f0时，试样会产生共振，此时示波器上的波形会突然增大，此时的频率就是试样的固有频率f0。共振法测内耗就是在改变激发频率的过程中建立共振曲线，如下图所示。而试样的弹性模量可以在实验中一并得到：E=1.6067(L3m/d4)f02，其中m为实验的质量，d为横截面直径。,计算相关：内耗为-1=（f2-f1）/f0=f/f0，f1、f2为f=f0时Am0减小到Am0=An0/时所对应得两个频率。在测量f0的过程中有两点需要注意，在0.224L和0.776L位置为试样的节点，如果在节点处悬挂试样，将不会有共振发生，因此，悬挂试样时应避免开此位置，而共振效果最好的位置又在节点附近。,实验设备及材料,GD-SG动态杨氏模量实验仪示波器卡尺等测量工具金属试样（黄铜、不锈钢、镁合金等）,实验内容与步骤,1.按实验原理图连接好频率计、测试台、示波器和指示仪表。经实验指导教师允许后可以进行下一步实验。2.先估算并粗略调整信号发生器的频率，使信号的指示为接近共振点，之后继续调整到两个“最大指示值的0.707倍”。3.记下相应的频率点位置和信号幅度，将试样升高温度到200继续测量。4.换试样，重复上述实验步骤。,实验报告要求,1.简述实验目的和实验原理。2.对曲线进行处理，得到材料的弹性模量，比