减振合金

图8Fe-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
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Al－Zn系合金也是典型的复相型合金，其特 点主要有：比重小，强度高，在微小的振动 中就能保持高的减振能力。 这种合金的阻尼性能与组织有很大的关系， 当出现细小的等轴晶时，具有较好的阻尼性 能，而且与振动频率也有关，随频率的增 大，阻尼降低。
图2 自由振动的衰减曲线
S.D.C(%) (Specific Damping Capacity)定义：
S .D.C
W W
100%
2 An -A 2 1 n 2 An
100%
(4)
式中，An是第n个振幅；An+1是第n+1振幅。
S.D.C 值超过20％的材料定义为高阻尼材料，表1列出
35
35 37 11 42
Fe-16Cr-2.5Ti
Fe-16Cr-2.5Ti-2.5Mo Fe-16Cr-2.5Ti-1Cu Fe-12Cr-3Al
182
201 210 183
450
392 460 394
288
346 388 306
8
2 4 22
193
224 195 197
14
<4 15 60
3) 位错型
Fe-14Cr
Fe-16Cr Fe-12Cr-2.5Mo Fe-12Cr-2.5Mo-2.5Ti Fe-12Cr-2.5Mo-1Cu
132
137 165 180 201
287
310 329 402 430
149
144 257 276 319
20
24 10 5 18
176
173 185 188 180
减小振动和噪音主要有两个途径：一是 隔断传播途径；二是降低减少振动和噪 音的强度。 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。
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。
3、减振合金的减振机制和类型
1) 金属的内耗
内耗是指材料受到振动时，其内部按照某种机 制将振动能转变为热能而衰减掉的过程，当材 料在振动时应力和应变不是单值函数关系时， 便会发生内耗。任何材料在弹性变形范围内的 应力应变过程中，一般应变总是滞后于应力， 这一滞后现象及其大小表征了材料内部对外界 能量的衰减特性。
典型代表: Fe- C r基、Fe- A l基、 Co- N i基等合金。
铁磁型阻尼合金的主要特点是强度较高 , 成本较低, 较高温度和低应变振幅下 阻尼性能优异, 但其经变形后或在磁场 环境中阻尼性能会迅速下降甚至消失。
表2 1100℃回火后Fe-Cr基合金的力学性能和阻尼性能 合金名称 Fe-10Cr Fe-12Cr HV 144 123 σ/MPa 268 σ0.2/MPa 157 δ(%) 26 E/MPa 206 177 S.D.C 13 39
了一些金属材料在室温时的阻尼特性。
表1 一些金属材料在室温时的阻尼特性
材料 镁(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) 低碳钢 铁素体不锈钢 球墨铸铁 中碳钢 奥氏体不锈钢
减振合金
1、减振合金的定义 2、使用减振合金的意义 3、减振合金的减振机制和类型 4、减振合金的应用
减振合金
1、减振合金的定义
减振合金又称阻尼合金（Damping alloy）， 是一种阻尼(内耗)大，能使振动迅速衰减的特 种金属材料。既具有作为结构材料的力学性能 ，又具有高的振动衰减能力。
2、使用减振合金的意义
孪晶金相组织
Ni-Ti合金
锰－铜合金
Mn - Cu合金的主要特点是阻尼性能和 力学性能较好, Mn 含量越高( >50%)、 应变量越大、高温热处理时间越长, 阻 尼性能越高。但其受温度影响较大, 只 适合较低温度下使用, 并且成本较高。 目前广泛用作潜艇螺旋桨的材料。
N i- T i基合金是一类性能优异的形状记忆 合金,主要特点是阻尼性能、形状记忆性能和 力学性能优异, 但加工性能差, 成本较高。 N i- T i基合金已被地震工程专家成功地用在 大厦和大型建筑物的减震装置上, 并可保证建 筑物在遭受强震后的复原性。
船舶螺旋桨
参考文献
宋国旸, 穆龙 阻尼合金的种类和特点 熊剑 陈昌彬 减振合金材抖 孙建英 减振合金的研究现状与发展 李沛勇, 戴圣龙, 刘大博, 等. 材料阻尼及阻尼合金的研究现状 [ J]. 材料工程, 1999, ( 8): 44- 48. 李和文, 李������ 宁, 文玉华. 减振合金的研究与发展[ J]. 机械, 2002, 29( 3): 66- 68.
宇宙航天方面，用作卫 星、导弹、火箭、喷气 式飞机的控制 盘和陀螺 仪等精密仪器的防振台 架； 汽车方面，用于车体、 制动器、发动机转动部 分、变速器、滤气器等 ； 土木建筑方面，用于桥 梁、凿岩机、钢梯等；
汽车减振轮毂
机械方面，用作大型鼓风机 框架及叶片、圆盘锯、各种 齿轮等； 铁路方面，用于火车车轮等； 船舶方面，用作发动机转动部 件、螺旋桨等； 家用电器方面，用于空调器、 洗衣机、垃圾处理机等； 音响方面，用作演出转动台、 扩音器框架、立体声放大器 底盘等。
复相型(应力缓和型)
强铁磁型(磁滞型)
位错型(磁滞型)
Mg-Mg2Ni
Mn-Cu Mn-Cu-Al Cu-Al-Ni* Cu-Zn-Al* Ni-Ti*
孪晶型(* 磁滞型-形状记 忆合金) (无*为应力缓和 型)
4、减振合金的应用 潜艇螺旋桨是减振合金的最 重要用途
英国石锰海洋公司开发的Sonoston(54Mn-37Cu-4AI3Fe-2Ni)、国际铜研究协会开发的Incramute(43Mn55Cu-2AI)等，就是专门为潜艇螺旋桨而研制的高阻尼 合金；前苏联的ABPOPA合金和我国的“2310”合金， 就是专门为潜艇螺旋桨而研制的高阻尼合金。采用 Silentalloy合金(Fe-12Cr-2AI)制造气轮机叶片，大 大提高其疲劳寿命。
2) 铁磁性型 铁磁性型减振合金是以磁弹性内耗为其功能基础设计 的。 在一些铁磁合金中, 原子之间通过交换作用而产生磁 矩, 相同方向的磁矩排列起来形成磁畴。 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。
Cu- A l- Mn 和Cu - Zn - A l合金是另一类 形状记忆合金, 它们的特点是阻尼性能优良, 价格较N i- T i基合金便宜, 但力学性能差, 使用温度不高(一般低于50! )。目前已经被用 于滑雪装置上的减振垫片。
表3常见阻尼合金类型
类型 合金系 Fe-C-Si Ai-Zn Fe-Ni Fe-Cr Fe-Cr-Al Fe-Cr-Ai-Mg Fe-Cr-Mo Co-Ni Mg-Zr 实用合金 片状石墨铸铁 SPZ TDNi 12%铬钢 赛连塔罗依(消音合金) 特兰卡罗依 肯塔罗依 NIVCO-10 KIKI 索诺斯顿 尹克拉妙特 尼基诺尔
这类材料中位错运动引起的能量损耗成为减振 的主要原因。合金的高阻尼是由于在外力作用 下，位错的不可逆移动，以及在滑移时位错相 互作用引起的。典型代表为纯镁、Mg-Zr及 Mg-Mg2Ni 等合金，这类合金使用温度常在 150℃以下。 格拉那托-鲁依柯(Granato-Lucke)的位错阻尼 钉扎模型如图7所示。
图7 位错阻尼的钉扎模型
a) 被杂质钉扎的位错在应力下的脱离; b) 位错应力应变途经
4) 孪晶型
孪晶是晶体中的面缺陷，以孪晶面为对称面， 孪晶面两边的晶体结构镜面对称。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。 典型代表: Mn- Cu、N i- T i、Cu- A l- Mn和 Cu- Zn- A l等。
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
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
图1 应力-应变曲线图 a) 交变载荷下完全弹性体 b) 实际固体
材料减振能力的大小常用衰减系数（即减振系 数）SDC来表示，它是用振动系统每振动一个 周期其振动能量的损失率ΔW/W定义的，并以 百分数表示。 若用W表示总振动能量，ΔW表示固体振动一 周的能量损耗，则可用ΔW/W来衡量内耗的大 小，
随着近代工业的迅速发展, 振动与噪声污染 越来越严重。这不仅毒化周围环境, 降低人们 的工作效率, 危害人身健康, 而且影响各类仪 器仪表及机械设备的质量、精度和使用寿命。 目前, 国际市场上巳把振动与噪声列为产品质 量的重要指标之一。因此, 如何减振防噪, 研 制出低振动、低噪声的产品, 无论从劳动保护、 环境保护, 还是从提高产品竟争能力的角度来 说, 都具有非常重要的意义。
Mg-Zr合金
片状石墨铸 铁
材料对振动的衰减特性主要与材料内部 结构在外力作用下产生的位移、位错、 变形等有关。减振合金按振动衰减机理 可分为复相型、铁磁性型、位错型、孪 晶型四种。
1) 复相型 复相型减振合金由两相或两相以上的复相组织构成， 一般是在强度高的基体中分布着软的第二相，其减振 机制是受振时由第二相与基体界面发生塑性流动或第 二相反复变形而吸收振动能，并将振动能转变成热能 耗散。这类合金最大的特点是可以在高温下使用。片 状石墨铸铁是比较常用的一种典型的复相型减振合金 ，研究表明，这类合金的阻尼性能取决于第二相石墨 的形态、数目及分布，其中形态影响最为重要，片状 石墨越发达，减振系数越大。 图8示出Fe-C-Si复相型阻尼合金的石墨分布。