阻尼合金的种类和特点VIP

? 97? ? ? 收稿日期:2009- 08- 31 ; 修改日期:2009- 09- 21 作者简介: 宋国旸 ( 1970- ), 男, 山东莱州人, 工学硕士, 主要从事机 械设计和制造技术的研究。 E? mai: lsongguoyang_caep 126 . com ? ? 文章编号: 1006?1355( 2010) 04?0097?03 阻尼合金的种类和特点 宋国旸, 穆 ? 龙 (中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川 绵阳?621900) ? ? 摘? 要: 阻尼合金是一类新型的金属功能材料, 利用其制造相关振动源构件, 可以有效地解决机械制造及相 关工程领域中的振动和噪声问题。介绍了目前国内外主要研究的阻尼合金的种类、 特点和应用范围, 并综合对比 了各自的阻尼和力学性能, 为需要减振降噪场合的选材提供参考。 关键词: 振动与波; 阻尼合金; 减振降噪; 阻尼性能 中图分类号:TG135. 7? ? 文献标识码: A? ? DOI编码: 10 . 3969/.j issn . 1006- 1355 . 2010 . 04. 026 Summary ofK inds and Features ofDa mping Alloys SONG Guo? yang, MU Long ( Institute ofNuclear Physics and Chem istry ,China Academy of Engineering Physics, M ianyang Sichuan 621900 ,China) ? ? Abstract :Damping alloy is a kind of new functionalmaterials . Using them to fabricate the compo? nent parts of vibration source , many vibration and noise problems in m echanical manufacture and some other fields can be solved effectively .In this paper ,the kinds ,features and applications of da mping al? loys are summarized . Their damping and mechanical properties are compared one another .The results provide a new idea and a reference formaterial choice for damping and noise reduction . Key words :vibration and wave ;da mping alloy ;damping and noise reduction;da mping perfor m? ance ? 随着现代工业的迅速发展, 交通、 能源、 建筑、 航天等领域对机器及其部件的要求也愈发苛刻, 主 要表现在高速重载条件下要求零件保持高强度的 同时, 能够具有低损耗和长寿命的特点。但是, 机 器在运转中所产生的振动, 特别是共振, 严重影响 机构零部件的寿命, 降低机械产品的质量以及仪器 仪表的精度和可靠性。同时, 噪声和振动是一对 ? 孪生姐妹 , 它污染环境, 损害人体健康, 是三大公 害之一 1。因此, 振动和噪声水平已成为决定产品 价值和市场竞争能力的重要因素, 如何减少振动、 降低噪声, 逐渐成为人们十分关注的问题。 阻尼合金又称为减振合金, 是一种能将机械振 动能转化为热能而耗散掉的新型金属功能材料 2。 采用阻尼合金来设计制造的各类振动源构件可以 从根本上有效地减轻振动的产生, 大大降低振动和 噪声所产生的危害。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, 开发出了 Mn? Cu系阻尼合金 3。这种合金掉到地上只发出微弱 的响声, 并被人们成功地应用在潜艇的螺旋桨上, 大大提高了潜艇的隐蔽性。以此为契机, 大量阻尼 材料的研究和开发被引向深入。 作为一类特殊的功能材料, 阻尼合金最大的特 征是在受到敲击时不像青铜、 钢材那样发出洪亮的 ?金属声 , 而只是像橡胶那样发出微弱的哑声。一 般金属材料由于共振曲线的形状十分尖锐, 振动衰 减很慢, 因此敲击时发出的声音响亮刺耳, 而且持 续时间很长, 这是敲击时响声大的原因。而对于阻 尼合金, 其共振曲线趋于扁平, 振动衰减快, 共振振 幅小, 因此敲击时声音微弱。之所以产生这样的效 果, 跟合金内部吸收振动能量的能力有很大的关系。 按照阻尼机制的不同, 可将目前的阻尼合金分 为六大类 4: 复相型阻尼合金、 超塑性型阻尼合金、 阻尼合金的种类和特点 孪晶型阻尼合金、 位错型阻尼合金、 铁磁型阻尼合 金和 Fe? Mn基阻尼合金。本文重点对这几种阻尼 合金的阻尼机制、 性能特点和应用范围进行叙述。 1? 复相型阻尼合金 阻尼机制: 在周期应力的作用下, 一些复相合 金中强度较高的相会发生弹性形变, 较软的相则发 生塑性形变, 从而产生内耗使振动的能量得以耗散。 典型代表: 灰口铸铁。 性能特点及应用范围: 灰口铸铁的主要特点是 成本低, 易加工, 可以在铸态使用, 目前已经被广泛 用来制造各类发动机和机床的基座。灰铸铁的阻 尼特性既与母相基体有关 (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 (含有片状石墨的灰铸铁的阻尼特性要远优 于含有球状石墨的球铁 )。最近的研究表明 5, 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, 而且其综合机械性能比一般的灰口铸 铁要高得多。美国已将这种铸铁用于福特公司生 产的涡轮增压发动机曲轴和汽车柴油发动机定时 齿轮上, 相关部门正计划下一步将这种铸铁扩展应 用于海军舰船柴油发动机部件。 2? 超塑性型阻尼合金 阻尼机制: 在周期应力的作用下, 一些合金中 的晶界和相界面会发生塑性流动, 从而产生内耗使 振动的能量得以耗散。因这种机制与合金的超塑 性机理类似, 所以称具有这种阻尼机制的合金为超 塑性型阻尼合金。 典型代表: Zn? Al合金。 性能特点及应用范围: Zn? A l基合金的主要特 点是比重小, 在微小振动中能保持较高的减振能 力, 不受磁场的影响, 有利于电子电器产品的减振 降噪, 但其强度较低, 不耐海水腐蚀。这类合金的 A l含量通常在 20- 50% (质量百分比 ) 之间, 在合 金中添加适量的 Si 、 Zr 、 Al等元素, 可使合金的性能 得到改善: Si的加入能提高合金的力学性能 6; 少 量 Zr和稀土元素 (都不到 1 % 质量百分比 )可以细 化组织和强化基体, 同时还能够提高阻尼性能 7。 在美国和日本, Zn? Al基合金已经被用于滑动轴承、 轿车发动机机座、 越野摩托车的凸轮轴和驱动轮、 风镐阻尼部件等领域。 3? 孪晶型阻尼合金 阻尼机制: 在周期应力的作用下, 与热弹性马 氏体相变有关的共格孪晶界面 (马氏体 /马氏体、 母 相 /马氏体 )将发生重新排列运动, 产生非弹性应变 而使应力松弛, 从而将外加振动能耗散, 形成对振 动的阻尼衰减。 典型代表: Mn- Cu、 N i- T i 、 Cu- A l- Mn和 Cu - Zn- Al等。 性能特点及应用范围: 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 8, 9。目前广泛用作潜艇螺旋 桨的材料。 Ni- T i基合金是一类性能优异的形状记忆合 金, 在其 M s相变点温度下变形, 然后加热到 Af温度 以上可以产生形状恢复, 同时其在 M s温度以下还 具有高阻尼性能 10。通过改变成分, N i- T i基合金 的 M s温度可以从 - 100! - 200! 之间变动, 具有 广泛的适用性。这类合金的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。Ni- 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。另外, 这种合金作为 减振材料在汽车和机械制造领域也都得到了一定 的应用。 Cu- Al- Mn和 Cu- Zn- A l合金是另一类形 状记忆合金 11 , 12, 它们的特点是阻尼性能优良, 价 格较 Ni- 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。 4? 位错型阻尼合金 阻尼机制: 在周期应力的作用下, 一些合金中 的位错会脱开沿线钉扎的点缺陷 (杂质原子或空 位 )而进行运动, 这个过程就会在弹性应变范围内 产生附加的位错应变, 从而产生内耗将外界振动能 耗散。 典型代表: Mg及 Mg合金 (Mg- Zr 、 Mg- Si 、 Mg - Cu 、 Mg- A l等 )。 性能特点及应用范围: M g合金的主要特点是比 重小, 耐蚀性好, 阻尼性能高, 但其力学性能太差, 尤其是强度低, 限制了其应用。合金化是解决该问 题的有效途径, 人们研究了添加 Zr 、 Si 、 Cu、 A l等合 金元素的影响, 结果表明这些合金的综合性能得到 提高, 大大地拓宽了 Mg合金的应用范围。目前, Mg 合金已成功用于节能汽车发动机部件、 电脑外壳、 噪? 声? 与? 振? 动? 控? 制第 4期?2010年 8月 ? 99? ? ? 镜框、 高尔夫球杆等 13。此外, Mg合金还具有较高 的电磁屏蔽性能, 在航天和航空工业中具有广泛的 应用前景, 例如制备航天飞机仪表盘、 电器设备壳 体等构件不仅可以减小振动, 还可以减小宇宙射线 对电子仪器设备的电磁干扰, 提高电子仪器设备的 工作精度和使用寿命 14。 5? 铁磁型阻尼合金 阻尼机制: 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。在周期应力的作用下, 合金中相当部分的 磁畴界面因磁机械效应的逆效应而发生不可逆移 动, 在应力应变曲线上就会产生应变滞后于应力的 现象, 进而产生内耗将振动能耗散。 典型代表: Fe- Cr基、 Fe- A l基、 Co- N i基等 合金。 性能特点及应用范围: 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。该类合金已经成 功应用在汽轮机叶片、 齿轮变速箱和机械传动装 置上 15, 16。 6? Fe-M n基阻尼合金 阻尼机制: Fe- Mn基合金层错能低, 具有 ?( . f c . c . )? ?( h . c . p . )相变过程, 所以研究学者普遍认 为其阻尼机制同 ?马氏体以及层错有关。弹性变形 范围内, Fe- Mn合金在周期应力的作用下 ?马氏体 以及层错界面会发生相对滑动从而产生内耗, 将外 加振动能转化为热能耗散掉, 因而具有高阻尼性能。 典型代表: Fe- 17 Mn 。 性能特点及应用范围: Fe- Mn基合金是近十 几年才开发出的一种新型阻尼合金 17, 18, 是上述几 类阻尼合金中强度最高 (抗拉强度大于 700Mpa)、 成本最低的 (仅为 Mn- Cu的 1/4), 其阻尼性能随 着应变振幅的增大而增加, 并且不受外界磁场的影 响, 但其低应变下阻尼性能低是限制其应用的主要 障碍。这种合金非常适合承受较大振动和冲击的 部件使用, 比如刹车制动盘、 齿轮、 切石机、 破碎 机等。 上述几类阻尼合金各有特点, 表 1是目前国内 外已经商品化的一些阻尼合金的举例, 图 1是常用 金属材料的阻尼性能和力学性能的对比简图, 实际 应用中要根据使用条件和各种阻尼合金的特点适 当选择。 表 1? 已商品化的阻尼合金成分和阻尼 性能对比表 2 , 5 , 6 , 9, 10 , 14, 17 Tab . 1 The chem ical constitution and damping capacity of the damping alloys 2 , 5 , 6 , 9, 10 , 14, 17 类? 型名? 称 成分 (质量分数 ), % 比阻尼 性能, % 复相型片状石墨铸铁Fe- 3C- 2Si- 0. 7 M n13 超塑性型 XA27Zn- 27A l27 SPZZn- 22A l25 Sonoston M n- 37Cu- 4A l- 3Fe- 2N i40 孪晶型 M2052M n- 20Cu- 5N i- 2Fe40 ProteusCu- 13 21Zn- 2 8A l42 N itinolN i- 49T i40 纯 M g50 位错型 KIXIM g- 0. 6Zr40- 49 MCMM g- 5Cu- 0. 2 M n40- 49 SilentalloyFe- 12Cr- 2A l40 铁磁型T ranqalloy Fe- 12Cr- 1 . 36A l- 0 . 59Mn40 GentalloyFe- 12Cr- 2A l- 3Mo40 Fe- M nFe- 17Mn30 图 1? 常用金属材料以及阻尼合金的 力学性能和阻尼性能简图 18 Fig . 1Themechanicalproperty and damping capacity of the metaland da mping alloys 综上所述, 阻尼合金可用于航空航天工业、 航 海工业、 汽车工业、 建筑工业、 家电行业等, 对降低 环境噪声、 提高机器零件寿命、 改善人们生活环境 有着重要的作用。因此, 阻尼合金作为一个新兴的 功能材料领域, 将会有更广阔的应用前景。 (下转第 109页 ) 阻尼合金的种类和特点 ? 109? ? 干涉后出现的离散峰值 t11和 t12具有与尾管声学 模态引发的离散峰值 t1相似的声学特性, 即能够辐 射到消声器外部而出现在消声器腔体外部实验测 试频谱上。 3? 结 ? 语 气流流速和消声器结构参数是影响插入管消 声器声学特性的两个重要因素, 本文在消声器进口 管 (或尾管 )内平均气流速度在 10m /s- 100m /s范 围内, 对长径比 L /D= 3 . 98的插入管消声器腔体内 部和外部的声学特性进行了实验研究。研究发现, 消声器腔体内外噪声声压级随着气流速度的增加 而显著增加, 而消声器腔体内部噪声离散峰值随着 气流速度的增大却出现先明显后微弱的变化规律。 计及气流影响的的大长径比 L /D = 3. 98插入管消 声器腔内声学特性主要取决于腔体本身的声学共 振模态和尾管的声学共振模态, 而与消声器腔体内 部气流再生噪声的涡模态无关。其中, 消声器腔体 本身的声学模态反比与腔体长度 L; 尾管共振声学 模态反比与尾管长度 Lt, 而两者均与消声器进口管 和尾管的插入深度 Len和 Lex 无关。在消声器腔体 外部仅发现尾管共振声学模态。综合运用消声器 腔体声学模态频率和尾管共振声学模态频率计算 公式可有效的分析气流影响下的插入管消声器的 声学特性。 参考文献: 1 Zhang X andRonaA. 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Predominance of reso? nance in insert?pipe ?type muffler w ith flow J.JS ME, 2004, 70( 693): 216- 223 . (上接第 99页 ) 参考文献: 1 郭文宏. 噪声污染危害及其控制方法 J. 安全, 2001, ( 3): 6- 12. 2 李建保, 周益春. 新材料科学及其实用技术 M . 北 京: 清华大学出版社, 2004: 156- 158 . 3 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 . 4 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 . 5 陆文龙. 温度、 振幅和频率对减振铸铁阻尼性能的影 响 J. 江苏理工大学学报, 1994, 15( 4): 73- 77. 6 张忠明, 王锦程, 郭学锋, 等. ZA27- 4 % Si合金的阻尼 性能及阻尼机理 J. 中国有色金属学报, 2003,13 ( 5): 1175- 1179. 7 Luo BH, BaiZH, X ie Y Q. The effects of trace Sc and Zr onm icrostructure and internal friction of Zn? A l eutec ? toid alloy J. M aterials Science and Engineering A, 2004, 370: 172- 176. 8 TanjiT, M ori wakiS, M ioN, Tomaru T, SuzukiT, Shin? tom iT. M easure ment of da mping perfor mance ofM 2052 alloy at cryogenic te mperatures J.Journal of Alloys and Compounds , 2003, 355: 207- 210. 9 邓华铭, 陈树川. 锰基高阻尼合金的研究进展 J. 金 属功能材料, 2000, 7( 2): 1- 6 . 10 CaiW, Lu X L,Zhao L C. 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