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2017年12月16日 星期六

丁酉(鸡)年十月廿九

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  一个作自由振动的物体,由于能量的损耗导致振幅的逐渐衰减。能量的损耗一部分来源于周围介质的粘滞性(或摩擦),称为外耗;另一部分是物体内部过程引起的机械振动能不可逆地转变为热能的现象,称为内耗。超声衰减就是超声频率范围内的内耗。如果物体的形变是完全弹性的,应力与应变保持严格的单值线性关系,振动一周就不会产生能量损耗。只有当物体的形变是非弹性的,例如应变滞后于应力,这种滞弹性行为使应力与应变不复保持单值函数关系,振动一周,应力-应变图上出现闭合的滞后回线,其面积等于能量损耗 ΔW ,一般将能量损耗与振动能W的比值作为内耗 Q-1的度量,即内耗与超声衰减, 由于非弹性应变对应的弹性模量M与完全弹性模量 Mu有差别, 内耗必然伴生模量亏损(Mu-M)/mu效应。早在1784年C.A.de库仑利用圆盘扭摆定量地研究金属丝的弹性,首次发现了滞弹性的现象,但从原子的角度来研究内耗的机制始于20世纪的40年代,1948年C.曾讷专著《金属的弹性与滞弹性》的发表标志着内耗研究进入固体物理的领域。
  内耗的物理研究有以下二个主要方面:
  研究固体内部缺陷及其相互作用 内耗具有结构敏感性。30多年绝大部分工作集中于研究晶体缺陷所产生的内耗。点缺陷所产生内耗的机制已经比较清楚。由于应力引起点缺陷势阱能级的分裂,会使点缺陷调整到新的平衡分布组态,从而产生非弹性应变。可以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(即圆频率的倒数 1/ω)相近时,产生弛豫型内耗峰。这种形式的内耗表示式为内耗与超声衰减,这里的 ΔH是弛豫强度。因而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。和电磁波的吸收谱很相似,可称之为声吸收谱或弛豫谱。这种声吸收谱也包括其他缺陷引起的内耗峰,可以用来探明晶体缺陷的组态,也是研究微量溶质原子极其有效的方法。斯诺克 (Snoek)峰就是点缺陷弛豫内耗峰的一个典型的例子。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。斯诺克峰高度与溶质浓度成正比,因此可以通过测量峰高的变化来研究固溶体的脱溶沉淀以及某些脆化的机制。由于许多弛豫过程具有内耗与超声衰减的关系(这里的H为过程的激活能),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用的方法。由此可以测出有关缺陷的扩散参量。
  晶体中的位错也会引起内耗,关于位错内耗的研究一直是一个极其活跃的领域。位错线受到一列点缺陷的钉扎,在交变应力作用下,位错会“弓出”,如弦线一般作振动。当交变应力的频率与弦振动的频率相等时,将产生共振型的内耗峰。当应变振幅增大时,弓出的位错线会脱钉,产生位错内耗的振幅效应。应用格兰那托-吕克(Granato-Lücke)的位错弦振动理论,可对这些内耗现象作出基本令人满意的解释。可以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。在低温下的博尔多尼(Bordonic)峰,可能是躺在能谷中的位错线通过热激活来翻越点阵势垒所引起的。另外,存在由于位错拖着点缺陷运动所造成的一系列弛豫内耗峰,近年来研究较多,认识逐渐深入,但机制尚未完全搞清楚。至于高温下位错攀移引起的内耗研究尚少,定量规律犹未澄清。
  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,也称葛氏峰。可用于研究晶粒间界扩散及杂质与晶界的交互作用。至今尚缺乏定量的理论。②孪晶界,共格相界(见相界)及畴界(见面缺陷)引起的静滞型内耗具有特别大的阻尼值,是当今高阻尼(消震减噪)材料的主要机制。
  研究固体中声子及电子过程 高频超声波与晶体点阵热振动的交互作用产生声子弛豫。这里存在二种情况,当超声波波长比样品中热声子的平均自由程长时,对于热声子来说,超声波所引起的应变是各处均匀的,但是这种应变随时间的变化对晶体的平衡声子谱产生微扰,从而改变点阵振动模,因而改变了热声子的平衡分布,被微扰了的声子又将以一定的跃迁几率趋向新的平衡分布状态,造成滞后的应变,这就形成一种典型的滞弹性弛豫过程,也就是所谓的声子粘滞性。当超声波波长等于或小于热声子平均自由程时,对热声子来说,超声波引起在空间上迅速变化的应变,这时超声波完全可以看成为一束声子,超声波通过声子-声子碰撞把能量交给晶体点阵,超声波能量的这种衰减称朗道(Landau)-鲁末(Rumer) 损耗。这些机制相似于超声波的应力导致费密面畸变,电子密度的平衡分布被破坏了,电子通过与点阵碰撞重新建立一种新的平衡分布,这也会引起阻尼。对于固体相变过程中内耗峰的研究表明它和声子弛豫是有关的,这说明内耗的研究将有助于澄清相变和临界现象的物理问题。超导体中的超声衰减速的研究也是一个比较引人注目的领域,H.E.伯梅尔发现当冷却通过超导转变温度时,超声衰减突然下降,这反映了电子阻尼的减小,这和传导电子结成库珀对的现象有关,可以直接以超声衰减的测量值来估算库珀对的能隙值,大致符合BCS理论的计算值(见超导微观理论)。这些事例说明内耗与超声衰减的研究对于固体物理的基础研究也是很富有潜力的。
  测量内耗与超声衰减的主要方法有:①扭摆法,测量低频(约1赫)下的内耗。1947年葛庭燧改进了低频扭摆(现称葛氏摆)后,内耗研究工作得到了迅速发展。后来又出现了倒扭摆和宽频扭摆,频率可扩展到10-6~102赫。②共振棒法(102~105赫), 按激发和接收方式又分为静电法、压电法、电磁法及涡流法等。以上二种方法用振动一周振幅的对数减缩量δ 或共振峰的半宽度来量度内耗。③高频行波法(兆赫范围),又称脉冲回波法,测量超声衰减值 α,它用单位距离内声频幅的对数减缩量表示, 因此有δ=αλ,λ 为声波波长。近年来计算机技术、内耗测量新方法和超纯材料及极端条件的应用大大推进了内耗研究的前进。
  参考书目
 A.S. Nowick and B.S.Berry,Anelastic Relaxationin Crystalline Solids, Academic Press, New York,1972.
 冯端、王业宁、丘第荣著:《金属物理》,下册,科学出版社,北京,1975。

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更新时间 : 2009-03-09

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