阻尼复合材料解析.pptx
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1、阻尼材料:具有结构材料应有的强度并能通过阻尼过程(内耗)把振阻尼材料:具有结构材料应有的强度并能通过阻尼过程(内耗)把振动能较快的转变为热能消耗掉的合金等。动能较快的转变为热能消耗掉的合金等。内内耗耗和和阻阻尼尼:固固体体对对振振动动的的衰衰减减,是是弹弹性性波波与与固固体体内内的的各各种种缺缺陷陷(点点、线线、面面)或或声声子子、电电子子、磁磁子子等等元元激激发发的的相相互互作作用用,而而使使机机械械能能消消耗耗的现象,是一种力学损耗。的现象,是一种力学损耗。应力应力-应变曲线。应变曲线。(a)(a)理想弹性体;理想弹性体;(b)(b)实际固体实际固体对于实际固体,应力和应变对于实际固体,应
2、力和应变可表示为:可表示为:E E为杨氏模量为杨氏模量,为相角差为相角差第1页/共21页振动系统的品质因子振动系统的品质因子Q Q的倒数表示的倒数表示内耗内耗:单位体积的振动能:单位体积的振动能:每周的能量相对损失为:每周的能量相对损失为:应力在一个周期内在材料中的能量损耗:应力在一个周期内在材料中的能量损耗:第2页/共21页在金属学中常用内耗(在金属学中常用内耗(Q-1)或对数衰减率(或对数衰减率(:前后相邻两次振幅比值的前后相邻两次振幅比值的自然对数)表示。自然对数)表示。减振系数(减振系数(SDC)(损失系数):振动物体内振动能转变为热能而损)(损失系数):振动物体内振动能转变为热能而损
3、失的比率,既振动一周振动能的损失率。失的比率,既振动一周振动能的损失率。具有如下近似关系:具有如下近似关系:第3页/共21页动滞后型动滞后型(弛豫型弛豫型)内耗内耗材料的滞弹性材料的滞弹性(anelasticity)(anelasticity)引起,在加载或去载时应变不是瞬时到达引起,在加载或去载时应变不是瞬时到达平衡值,而是通过一种弛豫过程来完成这种变化。平衡值,而是通过一种弛豫过程来完成这种变化。滞弹性体的应变与时间的关系滞弹性体的应变与时间的关系当当频频率率很很高高时时,振振动动周周期期远远小小于于弛弛豫豫时时间间,即即弛弛豫豫量量很很小小,在在一一个个周周期期内内几几乎乎不不发发生生弛
4、弛豫豫,物物体体的的行行为为接接近近完完全全弹弹性性,内内耗很小;耗很小;当当应应变变弛弛豫豫不不能能跟跟上上应应力力变变化化,此此时时应应力力应应变变曲曲线线为为一一椭椭圆圆,椭椭圆面积正比于内耗。圆面积正比于内耗。振振动动周周期期很很长长时时,振振动动周周期期远远大大于于弛弛豫豫时时间间,弛弛豫豫在在一一周周期期内内早早已已完完成成,每每一一瞬瞬时时应应变变都都接接近近平平衡衡值值,应应变变为为应应力力的的单单值值函函数数,不不产产生生内耗;内耗;第4页/共21页由于应力和应变间存在着多值函数的关系。在同一载荷下,在加载由于应力和应变间存在着多值函数的关系。在同一载荷下,在加载过程中和去加
5、载过程中对应的应变值不同,并且在完全去掉载荷后过程中和去加载过程中对应的应变值不同,并且在完全去掉载荷后有永久形变残留,要想把这部分残余应变去除就需在相反方向加一有永久形变残留,要想把这部分残余应变去除就需在相反方向加一定载荷。定载荷。静滞后型内耗静滞后型内耗回线的面积与加载频率无关,和振回线的面积与加载频率无关,和振幅有关幅有关静滞后下的应力应变回线静滞后下的应力应变回线第5页/共21页阻尼共振型内耗:阻尼共振型内耗:减振系数对共振曲线和自由衰减曲线的影响减振系数对共振曲线和自由衰减曲线的影响当材料施加应力后,当材料施加应力后,阻尼共振型固体的应阻尼共振型固体的应变随时间的变化与材变随时间的
6、变化与材料的阻尼系数料的阻尼系数有关。有关。k为弹性模量,为弹性模量,为粘滞系数,为粘滞系数,m为振动体的质量,为振动体的质量,=/2m为阻尼为阻尼系数,固有频率系数,固有频率0=(k/m)1/2第6页/共21页减振机制减振机制复相减振材料复相减振材料,在强韧的基体中,如有软的第二相析出,则在基体和,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,外界的振动或声波可第二相的界面上,容易发生塑性流动或粘性流动,外界的振动或声波可以在这些流动中消耗。以在这些流动中消耗。例:片状石墨铸铁(灰口铁),例:片状石墨铸铁(灰口铁),通过铸铁内石墨的粘性和塑性变通过
7、铸铁内石墨的粘性和塑性变形而产生减振效应。(动滞后机形而产生减振效应。(动滞后机制)制)铁基阻尼合金铁基阻尼合金(静滞后型)(静滞后型)铁磁材料内的磁畴由于各自的自发磁矩方向不同,在外力作用铁磁材料内的磁畴由于各自的自发磁矩方向不同,在外力作用下会发生消、长和磁滞伸缩,并且各磁畴相互连接,在各自伸缩下会发生消、长和磁滞伸缩,并且各磁畴相互连接,在各自伸缩运动时相互牵制,从而产生不可逆的畸变。运动时相互牵制,从而产生不可逆的畸变。各磁畴的消长引起微区域的磁化向量改变,由此产生涡流,引各磁畴的消长引起微区域的磁化向量改变,由此产生涡流,引起能量消耗。起能量消耗。第7页/共21页一般铁基合金阻尼能力
8、很小。中碳钢一般铁基合金阻尼能力很小。中碳钢SDC只有只有1%,低碳钢为,低碳钢为4%对对Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-Co、Fe-W系合金成分合理匹配,可以提高系合金成分合理匹配,可以提高阻尼能力阻尼能力1100回火后回火后Fe-Cr基合金的力学性能和阻尼性能基合金的力学性能和阻尼性能第8页/共21页影响铁基合金阻尼性能的因素影响铁基合金阻尼性能的因素碳、氮、氧间隙原子阻碍畴壁的运动,损害阻尼性能。质量分数,碳、氮、氧间隙原子阻碍畴壁的运动,损害阻尼性能。质量分数,碳:碳:0.007%;氮:;氮:0.0012%;氧;氧0.021%在热处理工艺上,一般退火温度越高,冷却速度越慢,阻尼性能在热处
9、理工艺上,一般退火温度越高,冷却速度越慢,阻尼性能越好。高的退火温度,可获得大的晶粒;慢的冷却速度,可减少越好。高的退火温度,可获得大的晶粒;慢的冷却速度,可减少内应力,这有利于畴壁的运动。内应力,这有利于畴壁的运动。在微观组织上,以单相铁素体组织为佳。在微观组织上,以单相铁素体组织为佳。冷变形后,合金内部内应力增大,位错增多,阻碍畴壁的运动,冷变形后,合金内部内应力增大,位错增多,阻碍畴壁的运动,而使合金阻尼能力下降。而使合金阻尼能力下降。第9页/共21页铁基合金阻尼性能与外界条件的关系铁基合金阻尼性能与外界条件的关系应变振幅是影响铁基合金阻尼性能的最敏感因素之一。在阻尼能力应变振幅是影响铁
10、基合金阻尼性能的最敏感因素之一。在阻尼能力-应变振幅关系曲线上,有一阻尼峰。应变振幅关系曲线上,有一阻尼峰。振振动动频频率率。当当频频率率超超过过某某个个临临界界值值(Barkhausen跳跳动动频频率率,约约300kHz),阻阻尼尼性性能能会会急急剧剧恶恶化化。超超过过此此临临界界频频率率,畴畴壁壁的的运运动动赶赶不不上上振振动动应应力力的的变变化化,磁磁机机械械阻阻尼尼机机制制失失效效,阻阻尼尼能能力力急急剧剧下下降降。在在此此临界值以下,频率对阻尼性能的影响不大。临界值以下,频率对阻尼性能的影响不大。工作温度。铁磁性在居里温度工作温度。铁磁性在居里温度700左右消失。左右消失。磁场。铁基
11、高阻尼合金的高阻尼性能主要源于磁磁场。铁基高阻尼合金的高阻尼性能主要源于磁-机械滞后效应。当机械滞后效应。当磁场强度大于矫顽力后,阻尼能力一般随磁场强度增大而减少;当合磁场强度大于矫顽力后,阻尼能力一般随磁场强度增大而减少;当合金磁化到饱和时,磁机械阻尼也就消失。金磁化到饱和时,磁机械阻尼也就消失。净应力。对阻尼性能的影响倾向于与磁场相似。净应力。对阻尼性能的影响倾向于与磁场相似。交变应力。合金只有在小于某一平均应力条件下应用下才会有效。交变应力。合金只有在小于某一平均应力条件下应用下才会有效。第10页/共21页 位错型合金位错型合金位错阻尼的钉扎模型位错阻尼的钉扎模型a)a)被杂质钉扎的位错
12、在应力下的脱离;被杂质钉扎的位错在应力下的脱离;b)b)位错应力应变途径位错应力应变途径在组织中有析出物或杂质原子,对位错有钉扎作用,在外力作用下在组织中有析出物或杂质原子,对位错有钉扎作用,在外力作用下位错线作不可逆的往复运动,产生静滞后型内耗。位错线作不可逆的往复运动,产生静滞后型内耗。这类合金具有最大的衰减系数,如铸造镁合金的衰减系数可达这类合金具有最大的衰减系数,如铸造镁合金的衰减系数可达60%60%第11页/共21页孪晶型孪晶型孪晶面在外应力下的易动性和弛豫过程,造成对振动能的吸收。孪晶面在外应力下的易动性和弛豫过程,造成对振动能的吸收。如如Mn-12Cu合金经合金经925时效几小时
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