（材料加工工程专业论文）fe16cr25mo合金阻尼性能的研究.pdf

四川大学硕士学位论文 f e 1 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能的研究 材料加工工程专业 研究生黄勇指导老师李宁教授 本文从实际工程应用背景出发，以f e - 1 6 c r - 2 5 m o 阻尼合金为研究对象， 研究了工况温度、热处理温度和外加磁场对合金阻尼性能的影响。并从微观组 织结构和铁磁学方面深入分析了合金的阻尼本质。 采用改进的i n - 1 型倒扭摆内耗仪研究了工况温度、热处理温度和外加磁场 对f e - t 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能的影响。利用c k - 4 0 m 型0 l y m p u s 光学显微 镜分析了合金的金相组织，并利用水基磁流体对直流磁场作用下磁畴的形貌及 其移动特征进行了深入的分析。主要研究结果如下： 研究了工况温度对f e 1 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能的影响。在室温到5 0 0 的 范围内，随工况温度的升高，f e - 1 6 c r - 2 5 m o 合金的阻尼性能和对应的峰值 应变振幅扎都逐渐降低。当工况温度升高到3 0 0 c 时，f e 1 6 c r - 2 5 m o 合金的阻 尼性能疋还能维持到原来的8 0 ，仍具有良好的阻尼性能。其原因在于，随着 工况温度的升高，原子间距扩大，原子间的交换积分作用和磁晶各向异性能降 低，磁致伸缩系数允降低，畴壁能密度降低，阻尼性能下降。 研究了热处理温度对f e - 1 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能的影响。热处理温度对 f e 1 6 c r - 2 5 m o 合金的阻尼性能有大的影响。在8 0 0 c 到l 1 0 0 的范围内，随热 处理温度的升高，f e - 1 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能逐渐升高，在9 0 0 时阻尼性能 有极大值( 万= 0 2 8 ) ，之后又随热处理温度升高逐渐降低。 研究了直流磁场对f e - 1 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能的影响。在直流磁场作用 下，f e - 1 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能随磁场强度的增大而增大，在0 0 8 r o t 磁场强 度下，合金的阻尼性能达到最大，之后随磁场强度的增大( 0 0 8 m t - - 4 m t ) 而急 四川大学硕士学位论文 剧下降。在弱直流磁场作用下，处于不稳定的细小磁畴体积发生变化，畴壁出 现巴克豪森式移动，合金内耗明显增大。当合金磁化到饱和态时，磁机械滞后 效应消失，合金的阻尼性能降到最低。施加外磁场后，磁畴显得宽大和均匀， 并且发生了明显壁移。磁畴越宽，单位体积试样组织中畴界面积减小，即使畴 壁的移动能力提高，组织中畴界移动所消耗的能量也会大大减小，阻尼性能下 降。 研究了交流磁场对f e - 1 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能的影响。在交流磁场作用 下，合金的阻尼性能随磁场强度的增加先增大后减小，但衰减速度超过直流磁 场。通过理论推导发现，导致这一变化的原因是交变磁场使畴壁处于振动状态， 其振幅比相同磁场强度下的直流磁场的大，这使得合金更容易达到磁饱和，阻 尼因而下降较快。 研究了工况温度和外加磁场同时作用下对f e 1 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能的 综合影响情况。在3 5 0 恒温作用下，f e 1 6 c r - 2 5 m o 合金的阻尼性能随磁场强 度的增加先增大后减小，峰值出现在0 0 2 m t 。对比弱直流磁场作用下合金的阻 尼变化规律，3 5 0 。c 恒温作用下f e 一1 6 c r - 2 5 m o 合金各个磁场段的阻尼性能都有 明显下降。研究还发现，在0 0 8 m t 恒定磁场作用下，随工况温度的升高， f e 一1 6 c r - 2 5 m o 合金的阻尼性能呈线性下降。对比工况温度对合金阻尼性能变化 规律，施加o 0 8 m t 恒定弱直流磁场使得f e - 1 6 c r - 2 5 m o 合金各个温度段阻尼性 能都有明显提高。值得注意的是，施加弱磁场后，当工况温度高于2 0 0 c 时，合 金的阻尼性能下降趋于平缓，降低幅度明显小于无磁场状态。其原因是由于弱 磁场加强了晶界处的磁极强度，增强了晶界的结合力，延缓了晶界驰豫的发生。 关键词：f e - 1 6 c r - 2 5 m o 合金阻尼性能工况温度磁场磁畴 磁机械滞后 婴业盔兰塑圭兰垡堡茎 s t u d y o n d a m p i n gc a p a c i t yo f f e - 16 c r - 2 5 m oa l l o y m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：y o n gh u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f n i n gl i n e p a p e ri sb a s e di nt h eb a c k g r o u n do fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，i ts t u d i e st h e e f f e c t so f w o r k i n gt e m p e r a t u r e ，h e a t t r e a t i n gt e m p e r a t u r ea n de x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d o nd a m p i n gc a p a c i t yo ff e - 1 6 c r - 2 5 m od a m p i n ga l l o y i ta n a l y s e st h ee f f e c t so f m i c r o s t m c t u r e sa n df e r r o m a g n e t i co nd a m p i n ge s s e n c e 耽en lr e v e r s a lt o r s i o np e n d u l u md e v i c ew a sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t o fw o r k i n gt e m p e r a t u r e ，h e a t - t r e a t i n gt e m p e r a t u r ea n de x t e r n a lm a g n e t i cf i e l do n d a m p i n gc a p a c i t yo ff e 一1 6 c r - 2 5 m oa l l o y t h ec k 一4 0 mt y p e so l y m p u so p t i c a l m i c r o s c o p ew a su s e dt oo b s e r v em e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e n em a g n e t i c d o m a i n s t r u c t u r ea n dt h em o t i o nu n d e rt h em a g n e t i cf i e l d w e r eo b s e r v e dw i t ht h e w a t e r - b a s e dm a g n e t i cf l u i du n d e rt h eo p t i c a lm i c r o s c o p e m a j o rr e s e a r c hr e s u l t sa s f o l l o w s ： n ee f f e c to f w o r k i n gt e m p e r a t u r eo nd a m p i n gc a p a c i t yo f f e - 1 6 c r - 2 5 m oa l l o y i ss t u d i e d w h e nt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r ec h a n g e sf r o mr o o mt e m p e r a t u r et o5 0 0 c ， a st h ew o r k i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，t h ed a m p i n gc a p a c i t y 瓯a n ds t r a i na m p l i t u d e 以o f f e - 1 6 c r - 2 5 m o a l l o y d e c r e a s eg r a d u a l l y a t3 0 0 c ，t h e d a m p i n gc a p a c i t y s t i l l r e m a i n sa b o u t8 0p e r c e n t t h ed a m p i n gc h a r a c t e r so ft h ea l l o yi ss t i l lh i g h e r t h e r e a s o nf o rt h i sc h a n g ei st h a t ，a st h ew o r k i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，t h ea t o m - s p a c i n g e n l a r g e m e n t ，t h ea t o me x c h a n g ei n t e g r a la n dm a g n e t o c r y s t a l l i n ea n i s o t r o p i cb e c o m e s l o w e r , m a g n e t o s t r i e t i o nc o n s t a n t 丑b e c o m e sl o w e r , t h ee n e r g y d e n s i t i e so f d o m a i n - w a l lb e c o m e sl o w e r , t h ed a m p i n gc a p a c i t yd e c r e a s e s ， m 四川大学硕士学位论文 t h ee f f e c to fh e a t t r e a t i n gt e m p e r a t u r eo nd a m p i n gc a p a c i t yo ff e - 1 6 c r - 2 5 m o a l l o yi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a th e a t t r e a t i n gt e m p e r a t u r ea f f e c t sg r e a t l yt h e d a m p i n gc a p a c i t yo ff e - 1 6 c r - 2 5 m oa l l o y w h e nt h eh e a t - t r e a t i n gt e m p e r a t u r e c h a n g e sf r o m8 0 0 ct ol 1 0 0 。c t h ed a m p i n gc a p a c i t yo fa l l o yi n c r e a s e sg r a d u a l l y w i t ht h eh e a t - t r e a t i n gt e m p e r a t u r er i s i n g a t9 0 0 c ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yr e a c h e s p e a k s ( 占= 0 2 8 ) o v e r9 0 0 c i td e c r e a s e sw i t ht h eh e a t t r e a t i n gt e m p e r a t u r e i n c r e a s i n g t h ee f f e c to fd i r e c t - c u r r e n t m a g n e t i c f i e l do n d a m p i n gc a p a c i t y o f f e 一1 6 c r - 2 5 m oa l l o yi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a td a m p i n gc a p a c i t yo f f e 一1 6 c r - 2 5 m oa l l o yi n c r e a s e sw i t hm a g n e t i cf i e l d ，d a m p i n gc a p a c i t yr e a c hi t s m a x i m u mv a l u ea t0 0 8 m t o v e r0 0 8 m t , i td e c r e a s e sw i t ht h ef u r t h e ri n c r e a s i n go f m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h u n d e rc o n d i t i o no fw e a kd i r e c t c u r r e n tm a g n e t i cf i e l d ，s o m e f i n e m a g n e t i c d o m a i n so fv o l u m eu n d e ru n s t a b l i z a t i o nh a v e c h a n g e d ，t h e d o m a i n - b o u n d a r ya p p e a r e dm o v e m e n to fb a r k h a u s e n ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yo fa l l o y i n c r e a s e w h e nt h ea l l o yi sm a g n e t i cs a t u r a t i o n ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yr e a c h e sa tt h e m i n i m u m u n d e rc o n d i t i o no fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ，m a g n e t i cd o m a i n sb e c o m e w i d ea n dh o m o g e n e o u s m o r e o v e ri ti n d u c e sm o v e m e n to ft h ed o m a i nw a l l s t h e l a r g e rt h ed o m a i ns i z e ，t h el o w e rt h er a t i oo ft h ed o m a i n - b o u n d a r ya r e ai ne v e r y c u b i cs p e c i m e na n dt h el o w e rt h ee n e r g yc o s td u r i n gt h ed o m a i n - b o u n d a r ym o t i o n ， t h ed a m p i n gc a p a c i t yd e c r e a s e s t h ee f f e c to fa l t e r n a t em a g n e t i cf i e l do nd a m p i n gc a p a c i t yo ff e - 1 6 c r - 2 5 m o a l l o yi ss t u d i e d 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed a m p i n gc a p a c i t yo ff e 1 6 c r - 2 5 m o a l l o yr e a c h e si t sp e a kw i t h i nt h ea l t e r n a t ef i e l d b u tt h ed a m p i n gc a p a c i t yd e c r e a s e s m o r e d r a s t i c a l l y t h a nd i r e c t - c u r r e n t m a g n e t i cf i e l d i ti sb e c a u s et h a tt h e d o m a i n - b o u n d a r yv i b r a t e sw i t h i nt h ea l t e r n a t ef i e l d t h ed o m a i n b o u n d a r yv i b r a t i o n a m p l i t u d ei sl a r g e rt h a nt h a to ft h ed i r e c tf i e l dw h e nt h em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y a m p l i t u d ei st h es a m e t h i sm a y r e d u c et h ed o m a i n - b o u n d a r yd i s p l a c e m e n tr e s u l t i n g f r o mt h et o r s i o ns t r a i n ，a sa r e s u l t ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yd r o p sd r a s t i c a l l y t h ee f f e c to fw o r k i n gt e m p e r a t u r ea n de x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da tt h es a m et i m e o nd a m p i n gc a p a c i t yo ff e - 1 6 c r 2 5 m oa l l o yi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e 四川大学硕士学位论文 d a m p i n gc a p a c i t yo ff e 一1 6 c r - 2 5 m oa l l o yr e a c h e si t sp e a k sw i t hm a g n e t i cf i e l d i n c r e a s i n gu n d e r3 5 0 cc o n s t a n tt e m p e r a t u r e c o m p a r e do fd a m p i n gv a r i a t i o nu n d e r d i r e c t - c u r r e n tm a g n e t i cf i e l d ，t h ed a m p i n gc a p a c i t ye a c hm a g n e t i cf i e l dp h a s eo f f e - 1 6 c r - 2 5 m oa l l o ys i g n i f i c a n t l yd e c r e a s eu n d e r3 5 0 cc o n s t a n tt e m p e r a t u r e o n t h eo t h e rh a n d ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yo ff e - 1 6 c r - 2 5 m oa l l o yd e c r e a s eg r a d u a l l y w i t h w o r k i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gu n d e r0 0 8 r o t c o n s t a n tm a g n e t i cf i e l d c o m p a r e dd a m p i n gv a r i a t i o nu n d e rw o r k i n gt e m p e r a t u r e ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yo f e a c ht e m p e r a t u r ep h a s eo ff e - 1 6 c r - 2 5 m oa l l o ys i g n i f i c a n t l yi n c r e a s eu n d e r0 0 8 r o t e o a s t a n td i r e c t - c u r r e n tm a g n e t i cf i e l d w h e nt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r eh i 曲e r2 0 0 c ， t h ed a m p i n gc a p a c i t yo f t h ea l l o yd e c r e a s e ss l o w l y , t h ee x t e n to f d e c r e a s el o w e rt h a n c o n d i t i o no f w i t h o u tm a g n e t i cf i e l do b v i o u s l y t h er e a s o ni st h a tal i t t l eo fm a g n e t i cf i e l de n h a n c e dt h es t r e n g t ho fm a g n e t i c p o l ea n dt h ec o h e s i o no fg r a i nb o u n d a r y , d e l a yt h eh a p p e n i n go fg r a i nb o u n d a r y r e l a x a t i o n k e yw o r d s ：f e - 1 6 c r - 2 5 m oa l l o yd a m p i n gc a p a c i t yw o r k i n gt e m p e r a t u r e m a g n e t i cf i e l dm a g n e t i cd o m a i nm a g n e t o m e c h a n i c a lh y s t e r e s i s v 四川大学硕士学位论文 声明 在论文提交之际，本人声明，学位论文是本人在导师指导下经过认真的研 究工作获得的研究成果。据我所知，除特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。对研究过程中做出贡献的同志，论文 中已经作了特别说明和感谢。 另外，学位论文成果归四川大学所有，特此说明。 学位论文作者签名：百粤 升 高 一名毋亍 解醐：_ 年，月7 日 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 阻尼合金的工程应用背景 随着科学技术的飞速发展，来源于工业、交通运输、航空航海等的振动和 噪声越来越多，严重危及人们的生活和生命，已成为世界三大公害之一。噪声 和振动不仅会降低设备的使用寿命，而且还会污染生态环境，损害人体健康， 是破坏环境的三大公害之一。据美国国家职业安全与健康研究所1 9 7 1 年的调查， 至少1 0 的工作人员处于9 0 d b 以上的工作环境。达到9 0 d b 规定，工业界需耗 资1 3 5 亿美元，而降到8 5 d b 水平3 1 6 亿美元【l 】，可见噪声污染不可忽视。目前 各发达国家对噪声引起的环境污染问题十分重视，如法国在7 0 年代就对机场的 噪声污染进行课税。我国也制定了一系列的国家和地方的标准，其中包括 g b 3 0 9 6 - - 9 3 城市区域环境噪声标准和g b l 2 5 2 5 9 0 铁路边界噪声限值及 其测量方法等【2 】。因此，振动与噪音水平，已成为决定产品价值和市场竞争 能力的重要因素。于是，如何减少振动、降低噪声，成为世界各国需要解决的 最迫切问题之一。 长期以来，随着对振动与噪声的产生及传播特点的了解，人们找到了一些 降低和消除振动与噪声的方法。工业上采用的方法一般有以下4 种【3 】【4 】：第一， 增加重量，提高构件刚度，减少振动与振幅。即把机器做成非常结实笨重的刚 体化整体，如果不考虑空间、重量和成本，是一种较为理想的减振设计方法。 但在多数情况下，特别是要求轻量化和高速旋转的场合，上述作法是不可能实 施的。第二，抑制共振引起的大振幅的发生。避免共振的方法，只对单一频率 或只有一、二个振源的场合，才有明显的效果。实际上的振源大多具有宽的频 带。第三，安装减振装置，如油减振器、空气减振器等。这必然导致结构复杂 化，在重量、外形尺寸受到限制的场合不能采用。第四，采用多孔的吸声材料， 做成屏蔽罩，把振源包围起来，也可达到阻止声音泄漏和传播的目的。但这将 给操作带来不便，并使散热条件变差。而且，当振源体积很大时，屏蔽也难以 四川大学硕士学位论文 实现。总之，上述方法在实际应用中都存在局限性。为此有人提出可以从噪声 源出发，可以用具有高减振能力的材料制作振动和噪声源部件，这样就可以从 根本上解决振动和噪声问题的方法。 金属是在机械零件制造过程中普遍使用的材料。基于这个原因，研究人员 认为，依赖于金属以外的物质来减振是消极的办法，应当建立金属本身所具有 的高减振措施。即用具有高减振性能的金属材料制作振动源或噪声源部件，从 而达到减振消声的目的【6 】【”，这才是消除振动最根本的办法。 高阻尼合金，也称为减振合金，具备的基本特征是能够通过材料内部的各 种相应阻尼机制，吸收外部振动能，并降振动能转化为热能而不可逆耗散，达 到减振的功效。上世纪五十年代初期，美国和英国率先在阻尼合金方面取得突 破，开发了铸造m g 合金和m g 0 6 z r 的k i x i 实用合金，使阻尼合金的研究进 入实用阶段。六十年代初，为了减少涡轮叶片的振动和疲劳损伤以延长其使用 寿命，人们研制了阻尼性能好的n i c o 合金。六十年代末，英国海军研制了 m n c u 系实用合金s o n o s t o n e ，美国也研制了新的m n c u 合金以及n i t i 系实用 合金n i _ t i n o 。这些合金均具有优良的阻尼性能，而且其耐蚀性也好，已在各国 的海军舰船上用作潜艇和鱼雷螺旋桨的材料。七十年代，日本在质量分数为1 2 c r 钢的基础上，研制了被称之为s i l e n t a l l o y 的新型f e c r - a 1 高阻尼合金【8 】， 该合金在3 5 0 。c 的高温下仍具有较好的阻尼性能。同时，该类合金的强度高，弹 性模量大，加工性能好，已被广泛地应用在多种工业机械的振动发声部件上。 日本还开发了被称之为g e n t a u o y 的f e c r - m o 阻尼合金。前苏联在七十年代后 期研制了c r - n i t i a m 等合金，其阻尼性能很好，已在酸洗设备和冷轧机械上 得到应用。八十年代中期，我国科研人员针对印刷机、高速制针机、织布机的 问题才开始了阻尼合金的研究工作。到目前为止，已取得了一定进展，尤其在 m n - c u 、f e ，c r - a 1 和f e c r - m o t 9 1 以及z n a 1 t l o 】等阻尼合金的研究及应用方面累积 了一定经验和资料。九十年代后，人们对a 1 3 0 2 ，s i c 以及a i c 颗粒增强a l 基】 低密度高阻尼复合材料阻尼性能的研究比较多，并且取得了很大进展。l a v e m i a 等人研制的a 1 3 0 w a l 的复合材料的阻尼性能较好，其使用温度可达2 5 0 ，同时 这种材料还具有很好的力学性能和抗腐蚀性能，并兼有密度低，强度高，断裂 韧性高和热稳定性好等优点。z h a n g ，p e r e z 和l a v e m i a t l l 】研究了s i c p 和g 舢 复合材料的阻尼性能，并对m g 基复合材料的阻尼性能也作了研究，发现高温 2 四川大学硕士学位论文 时复合材料的阻尼性能比基体合金更好。 近十多年来，随着人们环境意识，产品质量和武器的隐蔽意识的增强，阻 尼合金的应用已遍及国防工业的舰艇、战机、导弹、坦克以及民用工业的飞机、 船舶、汽车、机械和仪表制造等各个领域，并且取得了明显的减振降噪效果， 这进一步刺激了国内外阻尼合金的研究和开发。据统计 1 2 】，到目前为止，仅日 本已申请有关阻尼合金的专利就超过1 0 0 个；1 9 8 7 年日本市场阻尼合金的销售 额为4 0 亿日元，1 9 9 5 年的年销售额超过5 0 0 亿日元，2 0 0 0 年已超过7 5 0 亿日 元。由此可见，阻尼合金作为一种将结构和功能统一为一体的新型材料，前景 十分光明。 1 2 阻尼合金的机制及表征 i 2 i 阻尼机制 理想弹性体在受到外力时，应变在瞬间便达到胡克定律所规定的量值，也即 应力和应变是同步的，是单值函数关系。当有非弹性行为出现时，应力应变不同 相，这样，在应力应变图上出现滞后回线【1 3 】，内耗发生。材料的振动衰减过程受温 度、频率、应变振幅和磁场等外界条件的影响很大【m 。改变外界条件，则同一材 料的振动衰减能力可能有很大变化。其具体阻尼机制可分为： 1 ) 动滞后型 动滞后型也叫迟豫型内耗，它是材料的滞弹性引起的，所以又叫滞弹型内 耗。滞弹性的特征是在加载或去载时应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一 种迟豫过程来完成这种变化。动滞后内耗与频率无关但与振幅有密切关系。 2 ) 静滞后型 动滞后的产生是由于实验的动态性质，而静滞后的产生是由于应力和应变 间存在着多值函数的关系。在同一载荷下，加载过程中与去载过程中对应的应 变值不同，并且在完全去掉载荷后有永久形变残留，要把这部分残余应变去除 就需在相反方向加一定载荷。静滞后的应力应变曲线的面积与加载频率无关， 但和振幅有密切关系。铁磁性材料或含有共格界面和位错的材料中都会有静滞 后现象【l l 】，从而引起内耗，即起到减振作用。 四川大学硕士学位论文 3 ) 共振型 共振型阻尼是另一种合金内耗形式。其机理是合金中两端被钉扎的位错线 段在应力作用下作受迫振动，阻尼材料受到一定应力后，该阻尼合金的应变滞 后于应力作用时间的变化，并与材料的阻尼系数有关。共振型内耗与动滞后型 内耗相似，但材料的固有频率受温度的影响较小。 4 ) 相变机制型 相变机制型阻尼指材料由于受到应力的作用发生了相变，使其阻尼性能明 显改善。其特点是阻尼性能与振幅无关，而与加热或冷却速度和振动频率相关。 1 2 2 阻尼性能的表征 金属或合金的阻尼性能好坏可用许多种方法度量。常用的有对数衰减率 ( 6 ) ，内耗( q 1 ) ，减振系数( 比阻尼s d c ) ，归一化宽带和位相差( 由) 。 1 2 2 1 对数衰减率( 6 ) 对数衰减率6 表示自由衰减过程中相邻两次振幅比的自然对剡5 1 ，即 万地( 砉) 式中4 ，4 + 。分别表示第1 3 次和第n + 1 次振动的振幅。当阻尼很小时，4 z 4 + 1 ，则6 一o ；当阻尼很大时，以4 i 。一m ，则6 一m 。可见，自由衰减法测 出的对数衰减率6 应落入o m 范围之内，一般金属或合金材料的6 介于0 1 的范围内。 当阻尼6 与振幅大小或振动次数无关时，公式( 1 - 1 ) 右侧为嗍： h ( 去一h 乩叫 = “等t = i 、 + t ， = 万 四川大学硕士学位论文 数。 = ，l 万 因此 j ：土1 n ( ：冬) ( 1 2 ) m 以 即线性阻尼的情况下，6 可以表达为相邻m 次振幅以和以+ 。的比值的函 1 2 2 2 内耗( q - 1 ) 量与其最大弹性储能之比【1 6 】， q ：会兰( 1 3 ) 2 石形 、 。 其中w 为给材料在振动应变最大时储存的能量，a w 为材料振动一周耗散 在相邻两次振动( 即循环一周) 的振幅a 咀和a 。l 处系统总能量分别等于 势能丢磷和丢娥，所以公式( 1 3 ) 中 形= 三蟛一1 2 k a 。2 形= 丢磁 则，由公式( 1 - 3 ) 得到： 旷1 = 上2 n 皆 以2 ” 为了将q - 1 和6 联系起来，对上式进行变换： 上4 1 9 ：4 1 凹 2 7 r 4 2 “ 斗删 斗艚 四川大学硕士学位论文 联立公式( 1 2 ) ，得： q = 去譬爱纽= 去 1 一e - 2 5 l ( 1 - 4 ) 匕 2 石 4 2 2 ，l 1 j 卜 v 可以看出，内耗q 。可以用对数衰减率占表达。从公式( 1 3 ) 还可以看出，阻 尼很小时，a 。诅州，q 。- - ，0 ；阻尼很大时，a 。a 吐+ 1 一o o ，q = 击，所以自由 衰减法测出的材料无论阻尼性能高低，其内耗应在o 击之间。 在6 1 的条件下，( 1 4 ) 式可近似表达为1 2 】： q _ 。= 兰( 1 5 ) 石 公式( 1 5 ) 只是内耗和对数衰减率之间换算的近似公式。文献指出 16 】【1 刀，按 该公式计算时存在一定的相对误差：当内耗值q _ 1 为5 l o 3 时，相对误差约为 1 。当内耗q 。1 为0 1 时，误差大于3 0 。可见利用公式( 1 5 ) 进行对数衰减率 和内耗之间的换算时，阻尼合金的内耗值不能超过o ，0 0 5 ，否则换算将带来较大 的误差。 1 2 2 3 减振系数( 比阻尼s d c ) 对于弹塑性材料，采用倒扭摆法可得到振动能量每周相对衰减率，如果以 百分数表示，即为减振系数s d c 。减振系数是振动物体内振动能转变为热能而 损失的比率，即它是以振动一周振动能的损失率来定义的【1 7 3 。 s d c ：坚：避1 0 0 4 ： 式中a w 物体振动能一周内的损失量，w 施加给物体的振动能，名和如 为n 和n + 1 次振动的振幅。按公式( i - a ) 的方法对上述公式进行变化得： j 2 s d c = 1 一二；笋= 1 一p 。2 5 ( 1 6 ) 所以，阻尼材料的减振系数s d c 应落入o 1 的范围内。 按照公式( 1 4 ) 和( 1 - 5 ) 可知，对数衰减率s ，内耗q - 1 和比阻尼s d c 三者之 间存在关系： 6 四川大学硕士学位论文 q - l = 等：去 1 _ e - 2 8 l ( 1 - 7 ) 2 石2 万l j 、7 在实际应用过程中，可以认为低阻尼合金的对数衰减率6 ，内耗q 1 及比阻 尼s d c 之间满足： s d c = 2 艿= 2 ，r q ( 1 8 ) 1 2 2 4 归一化宽带 内耗还可按照在共振频率峰( z ) 附近相当于振动曲线上0 7 0 7 倍振幅的 两点频率差( 厶五) 来量度。对应于两个点，其储能为共振频率储能最大值的一 半。因此，内耗公式1 6 1 为： q - , _ a 、3 - 厶f , ( 1 9 ) 1 2 2 5 位相角( 由) 在周期载荷凡“作用下，材料所发生的应变会滞后于施加的应力。其滞后 角为。人们用滞后角的正切值来描述合金的阻尼性能1 8 】，该值称为能耗系数 r 。即： 片 r = t a n , 9 i = 二( t - 1 0 1 石 以上各公式表明，因测试方法的不同，可用不同的参量来描述合金的阻尼 性能，而且这些参数之间在一定条件下可以互相转化。 1 3 阻尼性能的测量方法 1 3 1 低频扭摆法 低频扭摆法( t h el o w - f r e q u e n c yp e n d u l u mt e c h n i q u e ) 是由我国葛庭燧于2 0 世纪4 0 年代首先建立的，又称葛氏倒扭摆仪1 9 】。这种测试方法采用丝状试样( 直 径0 5 1 5 m m ，长度l o o m m ) 或片状试样，在自由振动下，通过测量应变振幅 7 四川大学硕士学位论文 衰减谱，测得试样的阻尼性能。为了减少轴向拉力的影响( 因在高温下丝材试 样容易产生蠕变现象) ，实际测量时通常采用倒置扭摆仪。这种仪器可以很方便 地用同一根试样测量在不同温度下的动态滞弹性性质( 内耗和动态模量) ，以及 准静态滞弹性性质( 如恒应力下的蠕变和恒应变下的应力松弛) 。倒扭摆内耗仪 的测试频率范围一般在0 5 2 0 h z 之间，而振幅范围在1 0 - 7 1 0 4 之间。由于频 率低和振幅小，不易引起位错滑移，故能很精确测试一些材料的晶界滑移型内 耗。 1 ，3 ，2 共振棒法 共振棒法( r e s o n a n t - b a rt e c h n i q u e s ) 包括单悬臂弯曲或双悬臂弯曲法，三点 弯曲法，纵向法和扭转法等。其中，常用的有单、双悬臂弯曲法和三点弯曲法。 单悬臂弯曲法适用于较软的材料( 弹性模量e 1 0 m p a ) 。在强迫振动下，这些方法通过测量 应变与应力之间存在的相位差由，运用式( 卜5 ) 测量材料的阻尼性能，并可同 时给出材料试样的e ”，e7 和t g 由。至于纵向法和扭转法，它们运用式( 卜3 ) 和式( 卜6 ) 测量材料的阻尼性能。其测量频率可达4 0 k h z 。 目前推出的共振棒法测材料阻尼性能的仪器有两类：一类是由美国的d u p o n t 仪器公司开发的动态力学分析仪( d m a ) 系列，该仪器采用单悬臂法测阻尼 性能，测量的温度范围：一1 5 0 1 5 0 ，频率范围2 8 5 h z ，振幅0 1 1 0 m m ， 加热速率0 1 5 0 m i n 。另一类是动态力学热分析仪( d m t a ) 系列。该类仪器 最初有英国树脂实验有限公司研制，后来由美国流变测量科技有限公司推出， 目前已发展到d m t ai v 型。该仪器可运用单、双悬臂法和三点弯曲法测材料的 阻尼性能，测量的温度范围为室温至5 0 0 或一1 5 0 5 0 0 ( 当用液氮冷却时) ， 频率1 6 1 0 4 2 0 0 h z ，阻尼敏感度1 0 1 ，阻尼分辨率l o 。5 。运用这种仪器，可 以很方便地获得t g 由的频率谱、温度谱和振幅谱，并可同时改变频率和温度， 从而模拟材料的工作状态。 1 3 3 复合振荡器法 复合振荡器法( c o m p o s i t eo s c i l l a t o r ) 又称为超声波脉冲法，实质上是共振 8 四川大学硕士学位论文 棒法中的纵向法、扭摆法在超声频率的推广。待测试样( 典型尺寸6 5 r a m x3 r a m x 3 咖) 粘贴到熔石英上( 置于加热炉中) ，再先后通过其石英晶体侧粘贴到第二 探测石英晶体上和第三驱动石英晶体上，组成一个四元复合振荡器。通过粘贴 在驱动和探测晶体上的电极导线来施加驱动信号和获取信号。通常在自由振动 衰减、恒定振幅和共振峰频率等条件下进行。该法适用的频率范围为3 0 2 0 0 k h z 。 到目前为止，悬臂梁法与倒扭摆法是测量合金阻尼性能最常用的两种方法， 但二者由于测试的原理不同，得到的结论可能会有较大的差异。美国海军研究 院的研究人员指出，相同材料用悬臂梁法测到的高阻尼应变范围比倒扭摆法得 到的要宽很多。他们认为这可能与试样的形态及材料的应变方式有关系。这意 味着测试方式可能对测试结果有较大的影响，但无论如何，上述两种方法都可 以使我们在相同条件下对不同材料进行比较和分析。 综上所述，阻尼性能的三类检测方法各有其优缺点。在实际测量过程中可 根据材料的工程应用背景，依据材料所承受的应变幅值和振动频率来选择恰当 的测试方法。 1 4 阻尼合金的分类及性能特点 1 4 1 阻尼合金的分类 根据阻尼机制的不同，阻尼合金可分为四大类：即复相型阻尼合金、位错 型阻尼合金、孪晶型阻尼合金和铁磁型阻尼合金。还有一些合金同时通过上述 四种机制中的两种或两种以上的机制消耗振动能，通常我们把这种合金叫做复 合型阻尼合金。 1 4 1 1 复相型阻尼合金 复相型阻尼合金是通过第二相的粘性流变产生阻尼的。最常见的如灰口铸 铁和z n - a 1 合金。合金组织最大的特点是由两种或两种以上的多相组织构成。 9 四川大学硕士学位论文 在周期应力作用下，复相体系中强度较高的相发生弹性形变，而较软的余相组 织则产生塑性变形，从而使振动的能量得以大大耗散。这类合金阻尼机制非常 复杂，可同时有多种机制起作用。 在复相型阻尼合金中，铸铁是最具代表性的。其阻尼特性既与基体母相有 关( 珠光体基体的阻尼性能低于铁素体或奥氏体基体) ，又与非金属夹杂物形态 有关( 片状石墨的阻尼性能要远优于球状石墨) 。灰口铸铁是传统金属材料中阻 尼性能最好的，其比阻尼系数、i ，略为5 n1 0 ，被广泛用来制造各类发动机 和机床的基座。最近的研究表明 3 】【2 0 】【2 1 】，含球状石墨为主的延性铸铁在临界温 度以下温度退火，其阻尼性能将大幅度提高，能达到高阻尼灰口铸铁的水平， 而且其综