Упругий гистерезис — отставание во времени развития упругой деформации образца от приложения механического напряжения, которое возникает при наличии пластичной деформации. Упругий гистерезис обусловлен перемещением дислокаций (дефектов). При этом неметаллические включения, другие дефекты, сама кристаллическая решетка стремятся удержать дислокации в кристалле в определенном положении. Чтобы сдвинуть дислокации, требуется достаточно большое напряжение. Потери энергии на упругом гистерезисе входят в потери на внутреннее трение.

Упругий гистерезис наблюдается при циклически изменяющихся напряжениях, максимальная амплитуда которых ниже предела упругости. Причиной упругого гистерезиса является неупругость или вязкоупругость материала. 

Остановимся на некоторых особенностях поведения материалов, в которых наблюдается упругий гистерезис. Так к ним принадлежат материалы, содержащие небольшие включения мягкого вещества. Общеизвестным примером здесь служит чугун, в котором вкраплены частицы мягкого графита. Большинство пористых материалов, как, например, бетон или песчаник, ведут себя сходным образом. Если испытывать на сжатие цилиндрический образец из чугуна, то при малых деформациях получается кривая напряжений-деформаций ОAB, показанная на рис. 1. Кривая ОAB называется первоначальной кривой напряжений-деформаций. Если испытуемый образец вторично нагружается от точки С до точки А и напряжения далее возрастают, то кривая продолжается вдоль ветви AB первоначальной кривой

 

Предположим теперь, что после нагрузки образца до точки А и полной разгрузки его до точки С выполняется еще несколько циклов нагружения и разгрузки, в каждом из которых последовательные значения наибольших и наименьших напряжений меняются так, как это показано на второй части рис.1, укладываясь на спирали, состоящей из петель с уменьшающимися амплитудами. Заостренные вершины этой спирали располагаются по некоторой кривой. Если амплитуды петель непрерывно уменьшать бесконечно малыми ступенями, то эти вершины в точности воспроизведут кривую первичной нагрузки материала.

Кривая, представленная на второй части рис.1 толстой линией, совпадает с первоначальной кривой, если последнюю перенести в новое положение так, чтобы начало координат О оказалось в центре спирали. Это явление является упругим гистерезисом. Можно заметить, что оси замкнутых петель, имеющих небольшие амплитуды, наклонены тем круче, чем меньше их амплитуды. Геометрические свойства этих петель в связи с формой первоначальной кривой определяют характер явления упругого гистерезиса, которое будет изучено ниже, после определения трех составных частей деформации: обратимой деформации, деформации, зависящей от последовательности приложенных напряжений, и третьей составной части, по-видимому, зависящей от времени.

 

Явление упругого гистерезиса свойственно всем твердым телам. Оно является причиной затухания в них звука, свободных колебаний самих упругих тел и обусловливает затрату внешней энергии для поддержания вынужденных колебаний. Положительное влияние упругого гистерезиса проявляется в упругих демпферах, в лопастях винтов, деталях турбин (лопатки, валы, диски) и двигателей.

Упругий гистерезис полезен в материалах, предназначенных для звуковой изоляции, амортизации колебаний и др. В массивных изделиях, где материал должен подвергаться длительному воздействию циклической деформации относительно высокой частоты (например, в шинах, катках, приводных ремнях), упругий гистерезис вреден, т. к. он приводит к разогреву вследствие механических потерь, отрицательно сказывающихся на усталостной прочности полимеров. Особенно опасен саморазогрев из-за упругого гистерезиса в пластмассах, эксплуатирующихся вблизи температуры размягчения, т. к. в этом случае при разогреве в свою очередь растет величина упругого гистерезиса и температура может нарастать катастрофически.

Во многом именно явление упругого гистерезиса объясняет анизотропию механических характеристик кованых изделий, а также их высокие механические качества.

Различают два вида упругого гистерезиса – динамический и статический.

 

В основном производители пенополиуретана(ППУ), характеризуя его качество, обычно приводят два показателя – кажущуюся плотность и жесткость, отражая их иногда в названии марки: ППУ-2232, ППУ-2536 и т.д. Первые две цифры - это кажущаяся плотность (22 или 25 кг/м3), остальные - жесткость (3,2 и 3,6 кПа при 40% деформации). Но ни плотность, ни жесткость не характеризуют напрямую эластичные свойства ППУ. Чтобы подчеркнуть упругое качество пены, приводят показатель "эластичность по отскоку", который определяют по величине отскока специального маятника или падающего шарика. Однако этот показатель сильно зависит от особенностей макроструктуры образца, которые не влияют на поведение пены при ее эксплуатации.

Общепринятой мерой эластичности упругого материала является величина коэффициента механических потерь, определяемого при записи диаграммы сжатия образца.

Если записать полную диаграмму сжатия, то получится кривая, показанная на рис.1. Ветвь разгрузки образца идет ниже ветви нагружения, и площадь, ограниченная этими ветвями (гистерезис), характеризует рассеивание энергии материалом за 1 цикл (на рис.1 эта площадь заштрихована). Гистерезис – это мера количества потерь работы во время цикла сжатия. Эта работа приводит к разогреву образца или к процессам его разрушения.

Отношение площади петли гистерезиса к площади фигуры, ограниченной верхней ветвью петли и осью абсцисс (то есть фигуры ОСАВО), называют коэффициентом механических потерь. Чем меньше величина коэффициента механических потерь, тем меньше энергии рассеивается материалом в каждом цикле сжатия, и тем меньше будут изменяться свойства материала при испытании на циклическое сжатие при эксплуатации мебели.

Коэффициент механических потерь - редко используемая характеристика, и понятно, почему: для его вычисления нужна запись диаграммы сжатия и последующее определение площадей криволинейных фигур. Однако, в технической зарубежной литературе при описании свойств полиуретана иногда фигурирует показатель, прямо связанный с коэффициентом механических потерь, и при этом достаточно просто определяемый. Его обозначают РR25%, а называют "Return", что обычно переводят как "возврат", или "восстанавливаемость". Иногда используют термины "гистерезисный возврат", или даже "гистерезис". Этот показатель представляет собой отношение усилия при деформации образца на 25% на обратном ходе машины (на ветви разгрузки) к усилию при деформации образца на 25% на ветви нагружения. Будучи отношением, он представляет собой отвлеченное число. Мы предлагаем назвать этот показатель "коэффициент упругости" и выражать его в процентах.

Очевидно, что чем шире петля гистерезиса, тем меньше величина коэффициент упругости. Для идеально упругого материала коэффициент механических потерь равен 0, а коэффициент упругости равен 100%. Таким материалом можно считать стальную пружину при малой степени сжатия. Ветви нагружения и разгрузки у нее практически совпадают. Для идеально неупругого материала коэффициент механических потерь равен 1, а коэффициент упругости равен нулю. Примером такого материала можно считать хрупкий жесткий пенопласт, сжатый до разрушения. В момент разрушения образца усилие мгновенно падает до нуля. И ветвь разгрузки совпадает с осью абсцисс.