固体内耗(internal friction in solid)是指作
自由振动的
固体,其
机械振动逐渐
衰减,使机械振动
能量耗散变为
热能的现象。如果固体形变是完全弹性的,应变随应力变化保持严格的、瞬时的单值
线性关系,振动一周就不会产生
能量损耗。只有当固体的形变是非弹性的(如应变滞后于
应力),这种滞弹性行为使应力与应变不复保持单值
函数关系。
作自由振动的固体,振动一周应力–应变曲线图上出现闭合的
滞后回线,其
面积等于
能量损耗ΔW。一般将能量损耗ΔW与振动能W的
比值定义为内耗Q-1的度量,即:
由于
非弹性形变对应的
弹性模量M与完全弹性模量Mu有差别,内耗必然伴生模量亏损效应。
内耗具有结构敏感性,因此常用来研究固体内部的缺陷及其
相互作用。
点缺陷所产生内耗峰的机制已经比较清楚。由于应力引起点缺陷
势能调节到新的平衡组态,从而产生非弹性应变。可用
弛豫时间来度量趋向新平衡态过渡所需的
时间。当弛豫时间τ与振动周期(即振动圆周频率的倒数1/ω)相近时,产生弛豫型内耗峰。这种形式的内耗表示形式为:
式中ΔH是弛豫强度。因此ωτ=1处会出现内耗的极大值,即内耗峰。不同类型的点缺陷弛豫机制对应于不同的弛豫时间τ,这样在宽广的
机械振动频率范围内会出现许多内耗峰,它们可称为内耗谱或机械振动吸收能谱。利用这些谱可探明
晶体缺陷的
组态,也是研究微量溶质原子极为有效的方法。斯诺克峰就是点缺陷弛豫内耗峰的一个典型例子。它最初是
α铁中
碳、
氮等填隙溶质
原子所引起的。体心立方金属中填隙溶质原子引起四方对称的畸变,在应力作用下会产生溶质原子的
跃迁,以改变四方轴的取向来降低
能量。斯诺克峰高与
溶质浓度成正比,因此可通过测量峰高的变化来研究固体的脱溶沉淀以及某些
脆化的机制。许多
弛豫过程具有τ=τ0eH/kT的关系(这里H为过程的
激活能),通过固定频率而改变
温度也可以获得弛豫峰。这是内耗测量中最常见的方法,可测出有关缺陷的扩散参量。
晶体中的
位错也会引起内耗,位错内耗的研究一直是极其活跃的领域。
位错线受到一列点缺陷的钉扎,
交变应力作用下位错会“弓出”,如弦线一般作振动。当交变应力作用的
频率与
弦振动的频率相等时,将产生共振型的内耗峰。用格兰那托–吕克的位错弦振动理论,可对内耗现象作出基本令人满意的解释。可利用它来研究位错与点缺陷的
交互作用(如
辐照效应等)以及位错的
动力学阻尼性质。位错也引起一系列的
弛豫内耗峰。在低温下的博多尼峰,就是能谷中位错线通过
热激活来翻越点阵势垒所引起的。另外,由于位错拖着点缺陷运动可造成一系列内耗峰。
界面内耗包括:①晶粒间界弛豫峰,它是中国科学家
葛庭燧首先发现的,又称葛氏峰。②
孪晶界、共格相界及畴界引起的静滞型内耗具有特大的阻尼值,是当今高
阻尼材料的主要机制。