阻尼合金解析.pptx
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1、1(1)概述 随着近代各种机械的功率、速度不断增加,振动造成的有害噪声也随之增长。有害的振动导致材料疲劳,并降低机械部件的工作可靠性。潜艇发动机振动噪声沿艇体的传播和发射,不但干扰导航仪器的正常工作,而且将自己暴露给敌人。音像系统中的机械振动将不可避免地调制成背景噪声,降低“信噪比”,影响图像的声音和质量。噪声在造成严重的环境污染的同时还恶化劳动条件,刺激人体中枢神经和血管系统。据美国国家职业安全与健康研究所1971年的调查,至少10的工作人员处于90dB以上的工作环境。为达到规定的90dB噪声标准,工业界需耗资135亿美元;若把标准降到85dB水平,则需316亿美元。目前各发达国家对噪声引起
2、的环境污染问题十分重视,如法国在20世纪70年代就对1.材料阻尼性能第1页/共40页2机场的噪声污染进行课税。表1 列出在不同连续工作时间中,环境允许的噪声水平(美国标准)。治理机械振动噪声方法有三种:系统减振、结构减振和材料减振。虽然可以从设计上使构件刚固化,采用合理的设计或采用附加隔音装置等结构减振,但势必使机器大型化,重量增加,成本提高。对于工作在动力状况下的机械与结构零件,采用具有大内耗的“高阻尼合金”,对减小有害振动和噪声、阻碍其传播,以及降低共振峰值应力等方面是有效的,在许多情况下,甚至是惟一可采用的方法。由于这种合金存在大的内耗,结构的自由振动很快地衰减、在共振状况下受迫振动的振
3、幅大大降低;在自由度大的结构中,脉冲应力显著降低而且在动态应力集中的工作时间工作时间/(h/d)864321.510.50.25噪声级噪声级/dB80929597100102105110115表1 环境允许的噪声水平第2页/共40页3地方发生松弛。如前苏联对内燃机曲轴振动的研究表明,当其振动向共振过渡时,曲轴中依靠材料的阻尼消耗振动能量的6065%,而用结构减振仅消耗3540。利用阻尼合金达到减振有三大优点:防止和减少振动,防止和减少噪声,增加材料的疲劳寿命。(2)阻尼的概念和度量 1)内耗和阻尼 固体对振动的衰减,是弹性波与固体内的各种缺陷(点,线,面)或声子、电子、磁子等元激发的相互作用,
4、而使机械能消耗的现象,是一种力学损耗。一个自由振动的固体,即使与外界完全隔离,它的机械能也会转换成热能,从而使振动逐渐停止。如果一个机械系统处于强迫振动,则必须不断从外界供给能量才能维持振动。这种由于材料内部的原因而使机械能消耗的现象称为内耗或称阻尼。高阻尼合金就是利用金属材料内部的各种相应阻尼(内耗)机制,吸收机械振动能,并将振动能转换成热能而第3页/共40页4耗散,从而达到对机械、仪器仪表等的减振或降噪功效。众所周知,对于完全弹性体而言,应变能够单一地为每一瞬间的应力所确定,即应力和应变间存在着单值函数关系。这样的固体在加载和去载时,应变总是瞬时达到其平衡值。图1 应力-应变曲线图a)交变
5、载荷下完全弹性体 b)实际固体 在发生振动时,应力和应变始终保持同位相,而且呈线性关系,称为“弹性”,不会产生内耗,如图1a所示。实际固体则不同,当加载和去载时,其应变不是瞬时达到平衡值,当振动时应变的位相总是落后于应力,这就使得应力和应变不是单值函数,称为“滞弹性”。显然,在远低第4页/共40页5于引起范性形变的应力下能观察到内耗(阻尼)现象这一事实表明,实际固体没有一个真正的“弹性区”。这些非弹性行为在应力-应变图上出现滞后回线,振动时就要产生内耗,其内耗的大小决定于回线所包围的面积,如图1b所示。可见内耗是与实际固体的非弹性行为相联系的现象。若用W表示总振动能量,W表示固体振动一周的能量
6、损耗,则可用W/W来衡量内耗的大小,而物理学上为了与阻尼的电磁回路相对应,常采用Q-1来表示内耗,这里Q是振动系统的品质因子,类似于电磁回路中品质因子的定义。内耗的计算公式为 (1)目前有多种量度内耗的方法,它们随测量方法或振动模式而不同,但相互间可以转换。2)内耗和阻尼的度量第5页/共40页6 自由衰减法。图2 为自由振动的衰减曲线。材料在最初受外力激发及去除外力后,其振动的振幅随时间衰减。阻尼大的材料,衰减速率快。采用振幅的对数缩减量 来量度内耗的大小,这里表示相邻两次振动中振幅比的自然对数,即取第一次的振幅An和第n+1次的振幅的对数值。计算内耗Q-1公式如下:图2 自由振动的衰减曲线(
7、2)强迫共振法。当试样作强迫振动时,根据振动方程求解,可以得到应变振幅随角频率变化的共振曲线(见图3)表示式,由此可求得内耗为第6页/共40页7式中,是应变落后于应力的相角,r是共振角频率;1、2为振幅下降到最大值的1/时前、后的角频率。可见只要在实验中测得共振曲线,即可(3)图3 共振曲线求出内耗值。显然当采用共振法时,内耗测量的精度随=1-2的增加而提高,因此在高阻尼情况下采用共振法是较为合理的。振动频率与试样的几何尺寸有关,圆柱试样的扭振动和纵振动模式的频率,主要决定于试样的长度,其频率范围一般在104106Hz。横振动模式的频率在3102104Hz,取决于试样的长度和直径或横截面。第7
8、页/共40页8 比阻尼。工程上使用比阻尼(衰减系数)S.D.C(%)(Specific Damping Capacity)定义:(4)式中,An是第n个振幅;An+1是第n+1振幅。S.D.C和Q-1的关系。衰减可用Q-1或,在衰减能大时一般用S.D.C,两者的关系为 (5)S.D.C 值超过20的材料定义为高阻尼材料,表2列出了一些金属材料在室温时的阻尼特性。第8页/共40页9材料材料比阻尼性能比阻尼性能S.D.C(%)屈服强度屈服强度/MPa密度密度/(g/cm3)镁镁(精锻精锻)491801.74Cu-Mn(Incramute,Sonoston)403107.50Ni-Ti(Nitino
9、l)403106.45Fe-Cr-Al(Silentalloy)402767.40高碳铸铁高碳铸铁191727.70纯镍纯镍18628.90纯铁纯铁16697.86马氏体不锈钢马氏体不锈钢85267.70灰铸铁灰铸铁61727.80SAP(铝粉铝粉)51382.55低碳钢低碳钢43457.86铁素体不锈钢铁素体不锈钢33107.75球墨铸铁球墨铸铁23457.80中碳钢中碳钢14137.86奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢12407.80表2 一些金属材料在室温时的阻尼特性第9页/共40页10(1)复合型 在强韧的基体中,如有软的第二相析出,则在基体和第二相的界面上,容易发生塑性流动或粘性流动,外界的
10、振动或声波可以在这些流动中消耗,声音被吸收。片状石墨铸铁中7590的碳在基2.阻尼合金的分类 图4 Fe-C-Si 复相型阻尼合金的石墨分布 a)金相照片 b)扫描电镜照片体中为片状石墨,断口呈灰色,可用于制造机床底座和电动机机座。图4示出Fe-C-Si复相型阻尼合金的石墨分布。然而片状石墨铸铁加工困难、质脆、机械强度低、耐蚀性差,因而应用受到限制。如在碳当量为4.55.2的铸铁中加入少量锆,或加入其他少量的合金元素,使片状石墨粗大成长,可提高铸铁的衰减系数。第10页/共40页11 另一复合型阻尼合金为Al-Zn(SPZ)、Al-40Zn和Al-78Zn合金经固溶化处理,随后经150时间时效,
11、在晶界有Zn的不连续析出物形成。合金的衰减能随温度增高而上升,在50附近可获得高的衰减系数S.D.C=30%,这是最早报道的高阻尼合金。由于这种合金具有牢固、便宜、轻巧和易于加工等特点,因它能吸收马达的微振使唱针免干扰确保音质清晰,可用来制作唱机的转盘。用这种材料制造发动机盖和部分机械,能使噪声大幅度减弱。在新型减振降噪(高阻尼)ZDAI(Zn-18-27AlMnCuSiMg)铸造Zn-AI合金基础上,添加Ti(0.010.5)、B(0.0010.22)、Zr(0.010.8)、Ge(0.010.5)、Re(0.011.0)等微量元素,能对Zn-Al阻尼合金的组织进行细化作用,使强韧性得到改善
12、,且合金元素的加入对Zn-Al母合金的界面可动性影响不大,而可动界面的数量增加,使阻尼性能得到相应的提高。多元素优化配比共同添加可使强度上升14左右,伸长率上升30%,其阻尼性能(内耗值)可提高30以上。第11页/共40页12(2)强磁型 磁性体内部被划分成由磁壁包围的磁畴小单元,在外加交变应力下,磁壁振动吸收能量,这种能量的损耗产生的阻尼为强磁性型阻尼。磁弹性内耗是铁磁材料中磁性与力学性质间的耦合所引起的。磁致伸缩现象提供了磁性与力学性质的耦合。由于在应力作用下存在磁弹性能,因而可引起磁畴的转动和畴壁的推移。由于这种交变应力引起磁畴的运动是一个不可逆过程,在能量上引起从机械能到热能的转换。磁
13、弹性内耗一般可分为三类:宏观涡流损耗;微观涡流损耗;与磁机械滞后有关的损耗。通常前两种损耗数值不大,而磁机械损耗则要大得多,故对于创造高阻尼合金具有实际意义。这一类的阻尼合金是铁基阻尼合金,例如1Cr13类型铁素体钢的阻尼性能大约比奥氏体不锈钢高一个数量级。在要求较高强度和耐热的条件下,钴镍基合金的比阻尼性能又比铁素体铬钢要高好几倍。第12页/共40页13 (1)铁基阻尼合金 一般的铁基合金阻尼能力很小。中碳钢的比阻尼能力S.D.C只有1%,低碳钢的S.D.C只有4%,即使在20世纪50年代,美国工程界竞相试验研究的403钢(Fe-12Cr-0.5Ni)S.D.C值也不足10。但是,对Fe-C
14、r、Fe-Mo、Fe-Co、Fe-W系合金成分的合理匹配,可以大幅度提高铁基合金的限尼性能。含有质量分数为1214铬的Fe-Cr合金,其S.D.C值高达80。对Fe-Mo两元合金的研究结果表明:当Mo质量分数在016范围内,随着Mo含量增加,Fe-Mo合金的机械强度也增加,但是,共阻尼性能则在Mo的质量分数为6时,达到最佳值。然而,两元合金的强度太低,实用价值不大。为了提高强度,又在两元系基础上,添加其他合金元素,形成多元高阻尼合金。研究结果发现:在Fe-Cr-Al三元系的等温退火截面上,存在着高阻尼区,在Fe-12Cr基础上,再添2.5%(质量分数)的Mo,虽然可以维持高阻尼能力,提高强第1
15、3页/共40页14度,但使塑性大大下降;在Fe-12Cr-2.5Mo基础上,再添1%(质量分数)的Cu,则不仅进一步提高阻尼性能和强度,塑性也得到了改善;而在Fe-12Cr基础上,添加3%(质量分数)的Al,其S.D.C值达到60%,并且具有高的强度和良好的塑性。大部分铁基高阻尼合金尽管内耗大、强度高、加工性能好,但韧度很低。并且由于铁基高阻尼合金一般为单相铁素体组织,难以通过热处理调整力学性能。为克服这些缺点,以双相组织为其特点,在热处理时,将钢加热到奥氏体和铁素体两相温度区,并保温一定时间,使钢中形成奥氏体和铁素体两相;冷却时,钢中奥氏体转变为马氏体,然后,在高于400而又低于相变点温度区
16、回火,形成铁素体和回火马氏体组织。这样,就可以通过控制回火马氏体的数量,调整合金的综合性能。表3列出1100回火后Fe-Cr基合金的力学性能和阻尼性能。2)影响铁基合金阻尼性能冶金因素第14页/共40页15合金名称合金名称HV/MPa0.2/MPa(%)E/MPaS.D.CFe-10Cr144-20613Fe-12Cr1232681572617739Fe-14Cr1322871492017635Fe-16Cr1373101442417335Fe-12Cr-2.5Mo1653292571018537Fe-12Cr-2.5Mo-2.5Ti180402276518811Fe-12Cr-2.5Mo-1
17、Cu2014303191818042Fe-16Cr-2.5Ti182450288819314Fe-16Cr-2.5Ti-2.5Mo201392346222470%)的锰铜二元高阻尼合金 Mn-12Cu合金声频横振动下的内耗温度谱如图6所示。是试样经均匀化退火处理后,在850第21页/共40页22或900固溶处理2h后,迅速淬入10%(质量分数)的KOH溶液中,在声频横振动下的内耗温度谱。它有两个明显的内耗峰:低温峰(主峰,0附近)为孪晶界的弛豫峰,峰高可达10-2数量级;高温峰(副峰)为马氏体相变峰,峰温处伴随弹性模量的软化。随着试样中锰含量的降低,马氏体相变峰向低温侧移动,当wMn74时,不
18、再有孪晶峰和马氏体相变峰。Mn-Cu合金中顺磁-反铁磁转变与fcc-fct马氏体相变,是两个相互独立的相变。磁转变寻致fcc 晶体的四方畸变,这为fcc-fct马氏体转变奠定图6 Mn-12Cu合金声频横振动下的内耗温度谱第22页/共40页23基础,并由此触发了fcc-fct转变。由磁性转变造成的四方畸变度(10-6数量级)及fcc-fct马氏体转变造成的四方畸变度(10-2数量级)产生的内应力,都因孪晶的形成而得到释放,但由于这两个转变温度非常接近,因此通常认为,在某一温度,顺磁fcc高温相转变为反铁磁fct低温相。锰铜合金的高阻尼,来源于反铁磁马氏体孪晶在外力作用下的弛豫运动及再取向,即是
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