阻尼合金

7
Q −1 = tan ϕ =
w2 − w1 wr
Q −1 = tan ϕ =
w2 − w1 3wr
(3)
式中， 是应变落后于应力的相角 是应变落后于应力的相角， 式中，φ是应变落后于应力的相角， ωr是共 振角频率； 振角频率； ω1、 ω2为振幅下降到最大值的 1/ 时前、后的角频率。 时前、后的角频率。 2 可见只要在实验中测得共振曲线， 可见只要在实验中测得共振曲线，即可
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Δ 求出内耗值。显然当采用共振法时，内耗测量的精度随Δω = ω1-ω2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。 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， 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10 决定于试样的长度，其频率范围一般在 4~106Hz。横振动模式的频率 。 ，取决于试样的长度和直径或横截面。 在3×102~104Hz，取决于试样的长度和直径或横截面。 ×
机场的噪声污染进行课税。 列出在不同连续工作时间中， 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 美国标准)。 的噪声水平 美国标准 。
表1 环境允许的噪声水平 工作时间/(h/d) 工作时间 噪声级/dB 噪声级 8 6 4 95 3 97 2 100 1.5 102 1 105 0.5 110 0.25 115
地方发生松弛。如前苏联对内燃机曲轴振动的研究表明， 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60％ 振过渡时，曲轴中依靠材料的阻尼消耗振动能量的 ％~65%，而用结构 ， 减振仅消耗35％ ％。利用阻尼合金达到减振有三大优点 减振仅消耗 ％~40％。利用阻尼合金达到减振有三大优点：防止和减 ％。利用阻尼合金达到减振有三大优点： 少振动，防止和减少噪声，增加材料的疲劳寿命。 少振动，防止和减少噪声，增加材料的疲劳寿命。
Q −1 = 1∆W 2π W
(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， 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。 但相互间可以转换。
2) 内耗和阻尼的度量
6
自由衰减法。 ① 自由衰减法。图2 为自由振动的衰 减曲线。 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。 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。 阻尼大的材料，衰减速率快。采用振 幅的对数缩减量δ 来量度内耗的大小， 幅的对数缩减量 来量度内耗的大小， 这里δ表示相邻两次振动中振幅比的自 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A 然对数，即取第一次的振幅 n和第 n+1次的振幅的对数值。计算内耗 -1 次的振幅的对数值。 次的振幅的对数值 计算内耗Q 公式如下： 公式如下：
阻尼合金 (Damping alloy)
1. 材料阻尼性能 2. 阻尼合金的分类 3. 阻尼合金的特性 4. 阻尼合金的应用 5. 阻尼合金的其他类型
1
1.材料阻尼性能 材料阻尼性能
(1) 概述
随着近代各种机械的功率、速度不断增加， 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。 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， 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。 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 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“ 影响图像的声音和质量。 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， 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。 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 年的调查，至少 ％ 据美国国家职业安全与健康研究所 年的调查 人员处于90dB以上的工作环境。为达到规定的 以上的工作环境。 噪声标准， 人员处于 以上的工作环境 为达到规定的90dB噪声标准，工业界 噪声标准 需耗资135亿美元；若把标准降到 亿美元； 水平， 亿美元。 需耗资 亿美元 若把标准降到85dB水平，则需 水平 则需316亿美元。目前各 亿美元 发达国家对噪声引起的环境污染问题十分重视，如法国在20世纪 世纪70年代 发达国家对噪声引起的环境污染问题十分重视，如法国在 世纪 年代 2 就对
图2 自由振动的衰减曲线
Q −1 = tan ϕ =
1
π
δ=
1
πlnLeabharlann An A 1 ln 1 = An +1 nπ An +1
(2)
强迫共振法。当试样作强迫振动时，根据振动方程求解， 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 表示式， 见图3)表示式 变振幅随角频率变化的共振曲线 见图 表示式，由此可求得内耗为
80 92
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。 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 虽然可以从设计上使构件刚固化， 等结构减振，但势必使机器大型化，重量增加，成本提高。 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” 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， 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。 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幅大 的内耗，结构的自由振动很快地衰减、 大降低；在自由度大的结构中， 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 3 的
8
③ 比阻尼。工程上使用比阻尼(衰减系数 S.D.C(%) (Specific Damping 比阻尼。工程上使用比阻尼 衰减系数) 衰减系数 Capacity)定义： 定义： 定义
2 2 An − An +1 S .D.C = × 100% 2 An
(4)
式中， 是第n个振幅 个振幅； 是第n+1振幅。 振幅。 式中，An是第 个振幅；An+1是第 振幅 ④ S.D.C和Q-1的关系。衰减可用 -1或δ，在衰减能大时一般用 和 的关系。衰减可用Q ，在衰减能大时一般用S.D.C， ， 两者的关系为
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 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 阻尼 现象这一事实表明， 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 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， 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。 所示。 如图 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， 表示固体振动一周的能量损耗， 若用 表示总振动能量，ΔW表示固体振动一周的能量损耗，则可 表示总振动能量 表示固体振动一周的能量损耗 来衡量内耗的大小， 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， 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 来表示内耗，这里Q是振动系统的品质因子 是振动系统的品质因子， 常采用 -1来表示内耗，这里 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。 中品质因子的定义。内耗的计算公式为
10
2.阻尼合金的分类 阻尼合金的分类
(1) 复合型
在强韧的基体中， 在强韧的基体中，如 有软的第二相析出， 有软的第二相析出，则在 基体和第二相的界面上， 基体和第二相的界面上， 容易发生塑性流动或粘性 流动， 流动，外界的振动或声波 可以在这些流动中消耗， 可以在这些流动中消耗， 图4 Fe-C-Si 复相型阻尼合金的石墨分布 声音被吸收。 声音被吸收。片状石墨铸 a) 金相照片 b) 扫描电镜照片 铁中75％ 铁中 ％~90％的碳在基 ％ 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。 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。 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 复相型阻尼合金的石墨分布。 图4示出 示出 复相型阻尼合金的石墨分布 工困难、质脆、机械强度低、耐蚀性差，因而应用受到限制。 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4.5％ 量为 ％~5.2％的铸铁中加入少量锆，或加入其他少量的合金元素，使 ％的铸铁中加入少量锆，或加入其他少量的合金元素， 片状石墨粗大成长，可提高铸铁的衰减系数。 片状石墨粗大成长，可提高铸铁的衰减系数。 11
Q −1 =
δ S .D.C = π 200π
(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 值超过 ％的材料定义为高阻尼材料， 列出了一些金属 材料在室温时的阻尼特性。 材料在室温时的阻尼特性。
9
表2 一些金属材料在室温时的阻尼特性
材料 精锻) 镁(精锻 精锻 Cu-Mn (Incramute, Sonoston) Ni-Ti (Nitinol) Fe-Cr-Al (Silentalloy) 高碳铸铁 纯镍 纯铁 马氏体不锈钢 灰铸铁 SAP (铝粉 铝粉) 铝粉 低碳钢 铁素体不锈钢 球墨铸铁 中碳钢 奥氏体不锈钢 比阻尼性能 S.D.C(%) 49 40 40 40 19 18 16 8 6 5 4 3 2 1 1 屈服强度/MPa 屈服强度 180 310 310 276 172 62 69 526 172 138 345 310 345 413 240 密度 /(g/cm3) 1.74 7.50 6.45 7.40 7.70 8.90 7.86 7.70 7.80 2.55 7.86 7.75 7.80 7.86 7.80