Пружний гістерезис

В області пружної деформації, де діє закон Гука, у металів і сплавів спостерігається ряд відхилень від чисто пружної поведінки. До важливих проявів неповної пружності металів належить пружна післядія.

Механізм пружної післядії може бути пов'язаний з переміщенням точкових дефектів, наприклад, у металах з ОЦК ґратками — атомів домішок проникнення. До навантаження ці атоми розміщуються у міжузловинах (наприклад, на середині ребер кубічних ґраток) статистично рівномірно. Під дією напруження відбувається поступовий перерозподіл домішкових атомів — вони прагнуть зайняти міжвузловини на ребрах уздовж осі навантаження, де вони викликають найменші спотворення ґраток. У результаті ґратки і весь зразок залишково подовжуються у напрямі дії навантаження. Причому відбувається це не миттєво. Оскільки перехід домішкових атомів у нове положення вимагає дифузійних перескакувань, він триває достатньо тривалий час. Після розвантаження відбувається зворотний перерозподіл домішкових атомів, і зразок набуває початкових розмірів.

Швидкість пружної післядії, а також його величина залежать від структури матеріалу та умов його випробування. Збільшення гетерогенності структури, неоднорідність пластичної деформації, полегшення її під впливом різних факторів підсилюють ефект пружної післядії. Наприклад, підвищення температури різко збільшує швидкість післядії (у цинку — на 50% при підвищенні температури на 15 °С).

Таким чином, у металах ще до початку макропластичної деформації, на пружній ділянці кривої «напруження—деформація» можливі непружні явища, такі як рух дислокацій, точкових дефектів, переміщення атомів у області меж зерен тощо. Ці явища, що супроводжуються місцевими пластичними деформаціями, спостерігаються за дуже малих напружень і мають важливе практичне значення.

Непружні ефекти проявляються у вигляді внутрішнього тертя, що характеризує необоротні втрати енергії всередині металу. Лінії діаграми деформування в координатах «напруження-деформація» при навантаженні й розвантаженні через неповну пружність металів не збігаються, а утворюють петлю пружного гістерезису. Площа петлі ${\displaystyle \Delta U}$ є пропорційною до частки енергії пружності, що перетворилась у тепло. Для відносного оцінювання величини пружного гістерезису використовують співвідношення:

${\displaystyle \Psi ={\frac {\Delta U}{U}},}$

де U — енергія пружної деформації. ${\displaystyle \Psi }$ є однією з мір внутрішнього тертя в твердих тілах, що вказує на безпосередній зв'язок пружного гістерезису із внутрішнім тертям. У металевих матеріалів у межах пружної деформації ${\displaystyle \Psi <1}$, у ґумоподібних речовин, пластмас та металів після великих пластичних деформацій можуть бути випадки ${\displaystyle \Psi >>1}$. В анізотропних кристалів та у деревини петлі пружного гістерезису різняться за осям анізотропії, а у гуми та пластмас за нелінійності пружних деформацій мають особливу, часто нестабільну форму.

Розрізняють два види пружного гістерезису: статичний і динамічний.

Експериментальне вивчення пружного гістерезису проводять за прямим записом петель (за допомогою механічної, оптичної, чи електровимірювальної апаратури з реєстрацією зусилля та деформації), загасанням вільних коливань, вимірюванням резонансних піків амплітуд вимушених коливань або ширини резонансної кривої. При цьому також можуть вимірювати потужність резонансного збудження, зсув фаз між силами й переміщеннями, оцінювати тепловіддачу й проводити пряме калориметрування виділеного тепла.

Явище пружного гістерезису як прояву пружної недосконалості властиве для всіх твердих тіл й спостерігається навіть за температур, близьких до абсолютного нуля. Воно є причиною загасання вільних коливань пружних тіл, загасання в них звуку, зменшення коефіцієнта відновлення за непружного удару й обумовлює необхідність затрати зовнішньої енергії для підтримання вимушених коливань.

Внутрішньому тертю останніми роками надається велика увага. Це пов'язано з великим практичним значенням здатності металевих матеріалів до розсіювання енергії при навантаженні в пружній області. Знання величини внутрішнього тертя необхідне для грамотного вибору матеріалу, що працює в певних умовах. Наприклад, демпфувальні матеріали для різного роду амортизацій, що здатні швидко гасити коливання, повинні мати велике внутрішнє тертя (погашення коливань в пружних демпферах чи обмеження їх в лопатях повітряних чи гребних гвинтів, лопатях, дисках, валах турбін та двигунів).

Навпаки, багато деталей вимірювальних приладів не повинні розсіювати пружну енергію, щоб забезпечити малу інерційність і високу точність вимірювань. Такі деталі повинні виготовлятися з матеріалів із малим внутрішнім тертям.

Не менший інтерес становить внутрішнє тертя як метод дослідження тонкої структури металів і сплавів. Особливо цінну інформацію цей метод дає про концентрацію і рухливість точкових дефектів, структуру дислокації, кінетику початкових стадій старіння, зокрема деформаційного тощо.

• Гістерезис
• В'язкість

• Золотаревский В. С. Механические свойства материалов — М.: Металлургия, 1983. — 352 с.
• Бернштейн М. А. Механические свойства материалов. / М. А. Бернштейн, В. С. Займовский — М. : Металлургия, 1979. — 495 с.
• Лахтин Ю. М. Материаловедение. / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева — М.: Машиностроение, 1990. — 558 с.
• Д. Мак Лин Механические свойства металлов. — М.: Металлургия, 1965. — 426 с.