Аномальное затухание колебаний ("пик" внутреннего трения) в техническом железе

Для технически чистого железа, а также его трех сплавов, содержащих около 2% вольфрама, молибдена и ванадия, была установлена закономерность, иллюстрируемая рис. 246. При 110°C и частоте около 900 гц в железе возникает пик внутреннего трения, причем логарифмический декремент увеличивается при этом примерно на порядок и снижается почти до исходного значения при дальнейшем повышении температуры. Аналогичная аномалия внутреннего трения в техническом железе была замечена также Л.А. Гликманом и К.В. Шишокиной при измерениях на частоте 290 гц и изгибных колебаниях и еще ранее Т.С. Кэ на крутильных колебаниях при частотах порядка 1 гц. Он же отметил, что при увеличении частоты колебаний пик сдвигается к более высоким температурам. Вычисленная Т.С. Кэ энергия активации процесса, вызывающего возникновение пика, составила 20000 кал/моль и оказалась близкой к величине энергии активации диффузии азота в a-железе. Последняя равна 18000 кал/моль и получена путем изучения диффузии при азотировании. В связи с этим обнаруженный пик внутреннего трения объясняют диффузией содержащегося в техническом железе азота, которая протекает под действием приложенных к образцу напряжений.

Если исходить из данных Т.С. Кэ, полагая энергию активации равной 20 000 кал/моль, то при измерениях на частоте 290 гц максимум внутреннего трения должен лежать при 97°С. Это хорошо совпадает с результатами, полученными Л.А. Гликманом и К.В. Шишокиной, обнаружившими пик внутреннего трения в железе при 100°С. Наши измерения проводились на частоте 940 гц, при которой в соответствии с формулами (65) и (66) пик должен быть при 112°С. Экспериментально нами установлено возникновение пика при 110°С, что таким образом, хорошо подтверждает одну и ту же его природу при измерениях на трех различных частотах. Кроме того, из соотношений (65) и (66) оказывается возможным вычислить энергию активации по данным одного опыта, не прибегая к измерениям при различных частотах.

В самом деле, если Tмакс — температура, при которой внутреннее трение максимально, a T1/2 — температура, при которой оно вдвое меньше максимального, то имея в виду, что при температуре максимума имеет место соотношение w = 1/т и w = const, из (66) и (67) нетрудно

Вычисленная по результатам наших экспериментов энергия активации составила 18 500 кал/моль. Хорошее совпадение со значением энергии активации, полученным Т. С. Кэ, позволяет полагать, что примененный нами метод определения внутреннего трения (при креплении образца на проволочных подвесках и частоте 940 гц) дает вполне удовлетворительные результаты.

На рис. 246 приведены результаты измерения температурной зависимости внутреннего трения сплавов технического железа с добавками около 2% W, Mo и V. Пик внутреннего трения в сплавах Fe-W и Fe-Mo сдвигается к более высоким температурам. Молибден почти не влияет на энергию активации процесса, а вольфрам существенно ее уменьшает (до 9200 кал/моль). В сплаве железа с 2% V пик полностью отсутствует. Поскольку ванадий обладает большим сродством к азоту, экспериментальные факты подтверждают, что обнаруженный пик внутреннего трения связан с диффузией азота в решетке.

Затем были исследованы сплавы на основе технического железа, легированные 0,36; 1,0 и 1,63% V (содержащие около 0,05% С и 0,01 % N). По мере увеличения содержания ванадия высота пика, наблюдаемого около 110 °С, постепенно снижается и при содержании в сплаве 1,63% V этот пик почти полностью исчезает.

Согласно теории внутреннего трения, предложенной Т.С. Кэ и Ч.И. Цзеном, высота пика, вызванного атомами внедрения, всегда пропорциональна числу этих атомов, находящихся в твердом растворе. Поэтому вполне естественно предполагать, что снижение пика при увеличении содержания ванадия происходит благодаря закреплению атомов азота вблизи атомов ванадия, что эквивалентно образованию нитрида ванадия. Такая точка зрения высказана в работе. Было обнаружено, что при насыщении азотом технического железа, легированного ванадием, образцы поглощают сверх нормальной растворимости дополнительное количество азота, соответствующее содержанию ванадия в соотношении один атом азота на один атом ванадия. Высота пика внутреннего трения при этом не меняется и, следовательно, эти дополнительные атомы азота в диффузии участия не принимают, так как они связаны ванадием.

Однако можно допустить и другой механизм влияния ванадия. Г. Лагерберг и А. Йосефсон указывают на то, что атомы внедрения в железе располагаются преимущественно по границам зерен. Поэтому эффект влияния ванадия может быть вызван увеличением поверхности границ вследствие измельчения зерна в сплавах Fe—V по сравнению с нелегированным железам.

Микроструктурный анализ сплавов Fe—V показал, что такой эффект действительно наблюдается: в сплаве с 0,36% V средняя площадь зерна составляет 0,8, а в сплаве с 1 % V — 0,36 от средней площади зерна в нелегированном железе. Однако в образце с 1,83% V, для которого пика почти не наблюдается, средняя площадь зерна вдвое больше, чем в железе без добавки ванадия. Среднюю площадь зерен определяли по методу С.А. Салтыкова. Из сказанного можно сделать вывод, что на уменьшение пика внутреннего трения в сплавах Fe—V размер зерна оказывает второстепенное влияние.

Таким образом, экспериментально установлено, что влияние ванадия заключается в связывании атомов азота, препятствующем их свободному перемещению в решетке железа под действием переменных напряжений.