（材料加工工程专业论文）femn合金阻尼性能的研究.pdf

四川大学硕士学位论文 f e m n 合金阻尼性能的研究 材料加工工程专业 研究生：丁胜指导教师：李宁教授 阻尼合金是一种具有减振降噪特性的功能材料。在现有的几类阻尼合金中， f e - m n 系阻尼合金不但强度较高、成本低，而且其阻尼性能随着应变振幅的增大 而增加，可作为较大振动和冲击部件使用，应用前景非常好，因此在近年来引 起国内外研究学者的广泛重视。本文采用真空熔炼技术制备了f e 一1 8 1 n 、 f e 一1 7 h l 一2 c r 、f e 一1 6 一6 c r 三种合金进行相关研究。 采用j n 一1 型倒扭摆内耗仪测试了三种合金阻尼性能；利用n e t z s c h d s c 2 0 4 型d s c 测试其的相变点；利用o l y m p u s 光学显微镜、日本产j s m - 5 9 0 0 l v 型扫描 电镜和h 一7 0 0 h 型透射电子显微镜观察分析其显微组织；利用x 射线衍射对合金 进行物相分析；在3 n a c l 溶液( 人工海水) 中对1 8 8 不锈钢、f e - 1 8 m n 、 f e 一1 7 m n 一2 c r 和f e 一1 6 m n 一6 c r 进行腐蚀实验，并用失重法标定试样的耐腐蚀性。 具体进行了如下研究： f e 一1 8 m n 合金的对数衰减率几乎都是随扭转应变量的增加成近似线性增 加，且在扭转应变为6 l o 。4 时未出现峰值；随固溶温度的升高，f e - 1 8 m n 合金 的阻尼性能随之变好，1 0 0 0 时达到峰值。因为经1 0 0 0 。c 固溶后，合金中e 马 氏体的数量最多且片层最薄，阻尼源最多，所以阻尼性能最好。f e - i n 合金经 1 0 0 0 。c 固溶处理后，再做深冷处理，提供了y e 继续转变的驱动力，使得残 余y 奥氏体转变为e 马氏体，增加e 马氏体的数量，进一步提高了合金的阻尼 性能。 随c r 的加入f e - m n 合金m s 点基本相当，因为加入合金元素c r 的同时降低 了含量；f e 一1 7 m a - 2 c r 和f e - 1 6 m a - 6 c r 的阻尼性能低于f e - 1 8 m n 合金，但降 低的不多，因为随c r 的加入会使f e 一合金晶格发生畸变，对阻尼源有一定钉 扎作用，阻碍阻尼源的运动；一定的变形会提高f e 一妇一c r 合金的阻尼性能，在 四川大学硕士学位论文 4 预变形量时，阻尼性能最好，因为4 变形应力诱发的e 马氏体对阻尼性能 的提高远大于产生的位错对阻尼性能的负面影响；f e 一 h l 合金中加入合金元素 c r ，不但保持了很高的阻尼性能，还增加了合金的耐蚀性能，随c r 含量的增加 耐蚀性愈好；f e - m n 合金随c r 的加入，因固溶强化进而提高了抗拉强度，但对 塑性影响很小。 f e - 1 8 m n 合金经e c a p 后，因发生了真应变为0 6 7 的大变形而丧失了阻尼 性能，随退火温度的升高阻尼性能随之变好，至到9 0 0 c 阻尼性能达到最好，对 数衰减率比未e c a p 试样提高近8 2 ，且明显好于未e c a p 。因为f e 一1 8 m n 合金 e c a p 加9 0 0 退火后，带状组织消失，高密度位错得到回复，马氏体片层比 未经e c a p 状态的更多更细小，y e 界面最平整，所以合金的阻尼性能显著增 加。由此可见，e c a p 是提高f e m n 合金阻尼性能的一种有效方法。 关键词：f e - m n 合金阻尼性能e 马氏体固溶处理等通道转角挤压 四川大学硕士学位论文 s t u d yo nd a m p i n gc a p a c i t yo f f e m n a l l o y s 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 es h e n gd i n gs u p e r v i s o rn i n gl i d a m p i n ga l l o y sa r ef u n c f i o n mm a t e r i a l sw h i c h c a l lb ea p p l i e do nc o m p o n e n t sm a t r e q u i r el o wl e v e l so fs o u n de m i s s i o na n dv i b r a t i o n a m o n gt h ed a m p i n ga l l o y s ， f e - m na l l o y sh a v eb e t t e rs t r e n g t ha n dl o w e rp f i c e ，a n di t s d a m p i n gc a p a c i t y i n c r e a s e sw i t ht h es w a i na m p l i t u d e ，s ot h i sa l l o yc a nb eu s e da st h eh i 曲l yv i b r a t i n g a n ds h o c k i n gp a r t sa n dh a sab e t t e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t s of e - m nd a m p i n ga l l o y s h a v ea t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o nf o rt h e s ey e a r s t h ew o r kw a sc o n d u c t e dw i t ht h r e e d a m p i n ga l l o y sm e l ti nv a c c u mi n d u c t i o nm e l t i n gf u r n a c e , i n c l u d i n gf e - 1 8 m n ， f e - 1 7 m n - 2 c r , f e - 1 6 m n - 6 c ra l l o y s 耶1 en 1r e v e r s a lt o r s i o np c n d u l t m ad 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 ed a m p i n g c a p a c i t yo ft h ea l l o y s t h eo l y m p u sm i c r o s c o p e ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e f r e m ) a n dh - 7 0 0 he l e c t r o nm i c r o s c o p ew e r eu s e dt oa n a l y z et h em i c r o s t r a c t u r eo f t h ea l l o y sa n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h ep h a s e so ft h ea l l o yw e r e d e t e r m i n e d u s i n gp h i l i px p e r tp r om p dx - r a yd i f f r a c t i o ni n s t r u m e n t t h e c o r r o s i v ep r o p e r t i e so f1 8 8 ，f e - 1 8 m n ，f 色一1 7 m n - 2 c ra n df e - 1 6 m n 一6 c rw e r et e s t e d u s i n gl o s s i n - w e i g h tm e t h o di n3 _ n a c ls o l u t i o n t h ef o l l o w i n gr e s p e c t so ft h e a l l o y sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h el o g a r i t h m i cd e c r e m e n to f f e - 1 8 m na l l o yi n c r e a s el i n e a r l yw i t hi n c r e a s i n gt h e s t r a i na m p l i t u d e ，a n dt h e r ei sn op e a kv a l u ew h e nt h et o r s i o n a ls t r a i na m p l i t u d et m x i s6 x 1 0 4 t h ed a m p i n gc a p a c i t yo f f e 1 8 m na l l o yi n c r e 髂ow i t hr a i s i n go f s o l u t i o n t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e r e a c h i n gi t sm a x i m u ma r o u n d1 0 0 0 b e c a u s ef 争1 8 n m a l l o yi ss o l u t i o nt r e a t e da f t e r1 0 0 0 t h eq u a n t i t yo fe - m a r t e n s i t ei sm o s ta n di t s p l a t e si st h i n n e s t ，d a m p i n gs o u r c e si sm o s t ，d a m p i n gc a p a c i t yi sh i g h a s t c r y o g e n i c t r e a t m e n ta f t e rs o l u t i o nt r e a t e da t1 0 0 0 s u p p l yd r i v i n gf o r c eo f t r a n s f o r m a t i o nr 畸， s oi n c m a s i n gt h eq u a n t i t yo f - m a r t e n s i t e , a n dt h ed a m p i n gc a p a c i t yi sf u r t h e r i n c m a s e d i 四川大学硕士学位论文 f e - m na l l o y s m st e m p e r a t u r ei sn e a r l yi d e n t i c a lw i t hi n c r e a s i n gc rc o m c m , b e c a u s eo fd e c r e a s i n gm n c o n t e n tw i t hi n c r e a s i n gc rc o n t e n t t h ed a m p i n g c a p a c i t y o ff e - 1 7 m n - 2 c ra n df e - 1 6 m n 一6 c ra l l o y si s1 0 w e rt h a ni to ff e - 1 8 m na l l o yal i t t l e , b e c a u s ec r y s t a ll a t t i c eo ff e - m na l l o y sa b e r r a n tw i t hi n c r e a s i n gc rc o n t e n t ，c r y s t a l l a t t i c ea b e r r a n c ea n c h o rd a m p i n gs o u r c e sa n do b s t r u c ti t sa n e l a s t i cm o v e m e n t p r o p e rd e f o r m a t i o nc a nr a i s et h ed a m p i n gc a p a c i t yo ff e m n - c ra l l o y s ，r e a c h i n gi t s m a x i m u ma r o u n d4 ，b e c a u s ea n i s o t r o p i cm a r t e n s i t er a i s i n gd a m p i n gc a p a c i t y ，a n d t h ed i s l o c a t i o n si n t r o d u c e dd u r i n gd e f o r m a t i o nd e t e r i o r a t et h ed a m p i n gc a p a c i t y , b u t t h ea n i s t r o p i cm a n t e n s i t i cc o n t r i b u t i o nt od a m p i n gc a p a c i t yb i g g e rt h a nd e t e r i o r a t i o n o f d i s l o c a t i o n a n dc rr a i s i n gt h ee r o s i o nr e s i s t a n c eo ff e m na l l o y s t h et e n s i l e s t r e n g t hi sr a i s i n gw i t hi n c r e a s i n gc rc o n t e n tb e c a u s eo fs o l u t i o ns t r e n g t h ，b u tt h e a f f e c t i o nf o rp l a s t i c i t yi ss m a l l f e 一18 m na l l o ya f t e re c a pl o s et h ed a m p i n gc a p a c i t yb e c a u s eo fd e f o r m a t i o nw i t h t r u es t r a i no 6 7 t h ed a m p i n gc a p a c i t yi n c r e a s ew i t hr a i s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e 。 r e a c h i n gi t sm a x i m u ma r o u n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea t9 0 04 c ，t h i sm a x i m u m i s8 2 m o r et h a nn o n e c a ps a m p l e b ya n n e a l i n ga t9 0 0 t h eh i g hd e n s i t yd i s l o c a t i o n s o ff e 一1 8 a l l o yh a v eb e e nr e c o v e r e d t h es t a c k i n gf a u l t sc a l lv a n i s hc o m p l e t e l y , t h e r e f o rt h en u m b e ro fe - m a r t e n s i t ep l a t e si sm o r ea n dt h ed a m p i n gs o b r c e $ i n c r e a s e ， a n dt h ed a m p i n gc a p a c i t yo ft h ea l l o yi si m p r o v e d i tc a nb es e et h a te c a pi sa n a f f e c t i v em e t h o d k e yw o r d s ：f e ，m na l l o y , d a m p i n gc a p a c i t y , s - m a r t e n s i t e ，s o l u t i o nt r e a t m e n t ， e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g i v 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 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，本学位论文是本人在四j i i 大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 学位论文作者签名_ 一丁c n 壹 聊签名谚于 婵吼叼年厂月巧日 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 从上世纪以来，随着工业的快速发展，机器制造业发生了翻天覆地的变化。 这一历史性的进步带动了交通、能源、建筑、航天等领域的快速发展。各行业 对机器零件的要求也愈发苛刻，突出表现在期望高速重载条件下零件能够在保 持高强度的同时，能够具有低损耗和长寿命的特点。但是，机械运行过程中产 生的振动和噪声问题却日益突出，并引起了人们的广泛重视。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。统计显示【l l ，我国每年仅道路交通噪声污染导致的经济损失 折合人民币就达2 1 6 亿元人民币。类似的经济损失美国为5 l 亿美元；德国为 1 0 6 亿美元；芬兰为2 8 亿美元。为加强对噪声污染的控制，我国制定了一系列 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 1 。 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。这些方法概括起来大致分为四种口】：第一，增 加机械零部件的重量，提高构件的刚度，降低振动的振幅。但在多数情况下， 特别是要求轻量化和高转速的场合，上述做法显然是背道而驰的。第二，抑制 共振条件下大振幅的发生。对单一频率或一两个振源的场合，该方法有明显的 效果，但实际上噪声往往具有明显的宽频特性，所以上述方法存在明显的局限 性。第三，安装减振装置，如油减振器，空气减振器等。这也是人们进行减振 降噪处理时比较通行的做法，但如果重量、外形尺寸受到使用场合的限制，这 类方法也不能使用。第四，采用多孔的吸声材料，并将其做成屏蔽罩，把振源 包围起来，从而阻断噪声的传播途径，有效地降低噪声。这种方法因为采用密 闭处理，屏蔽罩内的温度容易升高，使作业环境恶化，危险性增加，生产效率 大大降低。如果振源本身体积很大，则彻底屏蔽也是难以实现的。由此可见， 常用的四种减振降噪方法都存在一定的缺陷。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。 但是对阻尼材料的选择却需要考虑多方面的因素，尤其需要结合工程实际。 四川大学硕士学位论文 例如减振橡胶就是一种具有粘滞性质的阻尼材料；而在强度和使用温度容许的 条件下，有人曾采用尼龙制造的齿轮达到了减震降噪的效果【4 】。但这类材料最 大的缺点是机械性能尤其是力学性能太低，远不如金属材料，在使用过程中磨 损尤其严重，势必带来安全上的隐患。 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，既然金属材料拥有较好的机械性能，如果又同时具有减振降噪能力，就 有可能在需要减振降噪场合应用。但是，在传统的金属材料中，具有阻尼性能 的合金很少。除灰口铸铁具有较高的减振性能以外，绝大多数金属的减振性能 都很差，无法与非金属材料相媲美。 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m n c u 系阻尼合金”】【”。当初这种合金掉到地上只发出微弱的响声。以此为 契机，大量阻尼材料的研究和开发被引向深入。随后西方国家相继取得一系列 成果。例如英国发明的s i l e n t a l l o y 和美国发明的t r a n q a l l o y ，其减振系数高达4 0 ，为灰口铸铁的6 7 倍。 近十年来，随着人们环境意识的增强，对产品质量要求的提高以及军事上 隐蔽意识的增强，阻尼合金己广泛应用在机械、汽车船舶、仪表制造、航空航 天以及战机导弹潜艇等军事领域中，并取得了十分显著的效果，进一步刺激了 国内外对阻尼合金的研究。据统计，目前仅日本已申请的有关阻尼合金的专利 就超过1 0 0 个，1 9 8 7 年日本市场阻尼材料的销售为4 0 亿日元，而1 9 9 5 年的销 售额超过5 0 0 亿日元，2 0 0 0 年则超过了7 5 0 亿日元。由此可见，阻尼合金作为 一类特殊的功能材料，前景十分光明，而我国在这方面也做出了很多努力，目 前已开发出数十种阻尼合金，形成了一个新兴的材料领域。 1 2 阻尼合金的机制、类型 一 阻尼合金按照阻尼机制的不同可分为四大类用：复相型阻尼合金、位错型 阻尼合金、孪晶型阻尼合金和铁磁性阻尼合金。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，通常把这类合金叫做复合型阻 尼合金。 2 四川大学硕士学位论文 1 2 1 阻尼机制分类 据阻尼谱特征，材料阻尼机制大体可分为四大类：动滞后型、静滞后型、 共振型和相变机制型嘲【9 】。 1 ) 动滞后型 动滞后型内耗( 也叫弛豫型内耗) ，它是材料的滞弹性引起的，所以这种内耗 也叫滞弹性内刺10 1 。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，而是通过一种弛豫过程来完成这种变化的。物体出现滞弹性现象是由于 外加应力改变了物体内部的某种平衡状态。这种机制的特点是阻尼性能与振幅 ( o 或e ) 无关，而与频率f 、温度t 有关。 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 间存在着多值函数关系。在同一载荷下，加载过程中和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，要想把这部分残余应变去除 就需在相反方向加一定载荷。静滞后的应力应变回线的面积与加载频率无关， 但和振幅有密切关系。 3 ) 共振型 材料中的阻尼共振是产生内耗的又一种情况。例如晶体中两端被钉扎的位 错线段在振动应力作用下可作受迫振动。对材料施加应力后，阻尼共振型固体 的应变随时间的变化与材料的阻尼系数有关。如果没有外摩擦存在，材料中的 内耗就是唯一的能量耗散效应，它决定共振的振幅。 4 ) 相变机制型 相变机制型内耗指材料发生相变时，其阻尼性能明显改善，其特点是阻尼 性能于与振幅无关，与t f ( t 为加热或冷却速度) 成正比。 1 2 2 基本阻尼机制 1 ) 热弹性阻尼 z c n c r 首次分析了热弹性阻尼机制。当材料处于不均匀变形时，如采d m t a 仪测试材料的阻尼性能，试样动态弯曲导致其压缩侧被加热，而拉伸侧被冷却。 这样，当这种应力感生的热梯度引起不可逆的热量穿过试样时出现的应力松弛 四川大学硕士学位论文 和热量耗散。热弹性阻尼对阻尼性能的贡献可表示为： o 一= 口f ( 1 + 国2 f 2 ) ( 1 - 1 ) 其中，为热弹性松弛强度，等于e a 2 1 i c y 为杨氏模量，a 是热扩散 系数，t 为绝对温度，c v 为等容比热) ，等于2 9 f , f 为松弛时间，等于盯磨d “ 为式样厚度，d 为热导率) 。当俨l ，即f = - c o ( 2 7 c ) = 1 ( 2 丽) 时，在q _ 1 f 曲线上 存在一阻尼峰。该峰值对应的频率被称为z e n e r 松弛频率。此式表明，热弹性 阻尼与振动频率和试样厚度有关。 2 ) 位错阻尼 位错阻尼可用k o e h l e r - g r a n a t o l u c k e 模型来解释。外界振动引起位错移动， 发生从弱钉扎点( 如溶质原子、空位等) 上出现雪崩式脱钉，然后在强钉扎点( 位 错网节点、沉淀相等) 周围形成位错环，由此引起应力松弛和机械振动能的消耗。 位错阻尼对阻尼性能的贡献可表示为： a = c le x p ( c 2 g o ) l e o ( 1 - 2 ) 其中c l 、c 2 为材料常数，c i 与位错密度成正比。可见，位错阻尼与材料位 错密度和振幅有关。 3 ) 晶界阻尼 z e n e r 认为晶界具有粘性，且在切应力的作用下产生弛豫现象，从而引起晶 界阻尼。1 9 4 7 年葛庭燧发现多晶铝比单晶铝具有更高的阻尼性能，并且在2 0 0 左右时在q 1 一t 谱上还出现了一个阻尼峰( 被称为葛峰) 。他认为这一阻尼峰来 源于晶界的滞弹性力学弛豫或粘滞性滑动。后来，葛庭燧在竹节晶铝中也发现 了类似的阻尼峰( 被称为b b 峰) 。该峰被认为是由于其中的亚结构与竹节晶界交 互作用的结果。 晶界阻尼对温度十分敏感，随温度的升高，阻尼性能值增大。通常在高温 下，晶界表现出良好的阻尼特性。但此时材料的物理、力学性能较差，故晶界 高温阻尼峰( 即葛峰) 通常无法应用。但其低温阻尼背景可以用来改善较低温度 下材料的阻尼性能。 4 ) 界面阻尼 界面阻尼通常指由于相界面移动引起应力松弛的结果。s c h o e e k 利用 e s h e l b y 夹杂理论研究了合金中沉淀相与基体界面结构对合金阻尼性能的影响， 4 四川大学硕士学位论文 发现半共格或共格界面促进合金的阻尼。 5 ) 孪晶界阻尼 孪晶界阻尼与材料中孪晶界的移动有关。热弹性马氏体( 如记忆合金中的) 通常随温度下降而长大，随温度上升而收缩。由于孪晶界具有易动性，在这些 过程中会出现孪晶界的移动，引起应力松弛和能量消耗。 6 ) 磁畴壁阻尼 磁畴壁阻尼与材料中磁畴壁的移动有关。在磁场作用下，磁畴壁移动，为 磁滞伸缩效应；若施加外力，为磁滞伸缩逆效应，从而磁化发生变化。去掉外 力后，磁畴壁不能恢复原状，引s 起能量消耗 1 2 3 阻尼合金的分类 1 ) s a n 型阻尼舍金 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。 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。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v 略为5 到1 0 ，被广泛用来制造各类发动机和机床的基座。 铸铁的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( 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【3 】【1 1 】 1 2 】，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。其优 点在于寿命长，成本低等。美国相关部门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。但是，具有优良阻尼性能的铸铁无法避免塑性较低、 质脆、加工困难等缺点。 z n - a 1 基合金是另一类复相型高阻尼合金【1 2 】。a 1 含量通常在2 0 5 0 ( 质 量百分比) 之间。在合金中添加适量的c 研i m g ，可使合金得到固溶强化。m g 的 加入能改善合金的抗腐蚀性。另外，还常常添加少量z r 年1 3 稀土元素( 都不到l 5 四川大学硕士学位论文 质量百分比) ，可以达到细化组织和强化基体的作用，同时还能够提高阻尼性 能 j 。z n - a 1 合金的阻尼机制是通过外界应力作用导致相邻晶粒沿晶界发生相对 滑移，并产生内耗。这类合金与其它合金相比，具有以下特点：首先，合金相 界面的运动与原子扩散有关。随着温度的上升，界面原子扩散加剧，界面可动 性提高，减振性升高。当温度达到一定值时，合金的阻尼达到峰值。有人添加 稀土后发现【1 4 】【”】，阻尼峰出现在2 0 8 c ；但是温度继续升高，合金的阻尼性能开 始下降。其次，该合金的减振性能不受应力应变振幅的影响，但是对振动频率 很敏感。有人发现 1 6 】，当振动频率在5 0 h z 时合金出现阻尼峰：但是2 0 0 0 h z 时， 阻尼不足原来的四分之一。合金的阻尼性能还与组织形态有很大关系 3 1 。等轴 晶尺寸越小，晶界的界面越多，对合金的阻尼性能越有利。z n - a 1 合金的其它特 点包括比重轻，有利于产品的轻量化；属于非磁性物质，内耗不受磁场的影响， 有利于电子电器产品的减振降噪；但强度较低，不耐海水腐蚀 1 2 】。 在美国和日本，z n - a 1 基合金已经有相关产品问世。例如美国研制的z a z f 合金。其成分( 质量百分比) 中，a l 占2 5 、c u 占1 5 2 0 、m g 占o o l o 0 2 、其余为锌。这种材料已经被用于轿车发动机机座，越野摩托车的凸轮轴 和驱动轮。另一种z a l 2 ( 含1 2 a 1 ，其余为z n ) 合金，也被用于制造风镐阻尼 部件。其它国家生产的合金如日本东洋铝业株式会社的g e n t a l l o y - a 系合金及日 本三菱金属株式会社的c o s m a l - z 合金等。 2 ) 位错型阻尼合金 位错型阻尼合金也是一类特点鲜明的阻尼合金。其代表包括m g - n i ， m g - z r ，m g - c u ， m g a i ，m g s i 等合金。位错型阻尼合金的阻尼机制是依靠 位错与杂质原子之间的相互作用产生内耗的。当位错从杂质原子的钉扎点脱离， 就会产生静态滞后损耗而吸收振动能。纯镁本身就具有很高的阻尼性能( 比阻 尼系数、 ，值可高达6 0 ) ，但机械性能太差，尤其是强度较低，使其应用受到限 制。因此，合金化是解决该问题的有效途径。镁合金的阻尼性能与晶体结构有 关 3 1 。等轴晶组织是镁合金保持较高阻尼性能的前提条件。镁基合金的阻尼性 能还与应变量即振动和噪声的振幅有关，而几乎不受频率变化的影响。但镁基 合金的阻尼机制会因环境温度的变化而发生改变。常温下阻尼源主要来自于位 错滑移，但当温度升高时，界面阻尼开始发挥作用，阻尼性能不断升高。试验 6 四川大学硕士学位论文 表明，2 5 0 时，合金的对数衰减率可达0 2 ( o 5 h z 下) ，比常温下的高。镁基合 金的阻尼性能还具有一定的热稳定性和时效稳定性，这方面尤其要远优于 m n c u 合金。镁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一 定的应用前景。例如以镁合金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“”。尽管m g 基合金的阻尼性能很高，但其力学性 能偏低，用于制造承受较高载荷的构件存在较大的困难。 目前最典型的m g 基合金是m g - z r 合金( 含o 6 z r 的k i x i 合金) 【1 3 1 1 丌。这 类合金可在铸态下使用，具有比强度高，比重轻的特点，能承受较大冲击负荷。 这类合金对油、苯和碱类介质的耐蚀性好。合金的减振系数达6 0 ，抗拉强度 达1 6 0 m p a ，屈服强度为4 8 m p a ，延伸率为1 2 4 。在成型方面，最新研究的m c m 合金( 5 7 c u 、0 1 3 m n 、余为m g ) 可以压铸件形式使用。而m t 合金( 成 分以t i 和m g 为主) 则以烧结件形式使用。m c m 合金已用于节能汽车发动机部件、 电脑外壳等；而m r 合金已用于医用材料，镜框，高尔夫球杆等。 3 ) 孪晶型阻尼合金 孪晶型阻尼合金的阻尼源来自于与热弹性马氏体相交有关的相变孪晶晶界 或母相与马氏体的相界。在振动应力的作用下这些界面发生相对移动，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。其 代表包括m n - c u 、c u - a 1 - n i 、c u - z n - a l 和n i - t i 等。 m n - c u 合金是一类研究历史较长应用较广的阻尼合金，同属于热弹性马氏 体相交范畴“州埘。m n - c u 系合金的特点是，m n 含量越高( 5 0 ) ，应变量越大， 高温热处理时间越长，阻尼性能越高。但以上两种倾向各自有一极限，当超越 这一极限时，阻尼性能反而出现下降趋势。在微观机制方面，b i r c h o n 啪1 在研究 m n - 3 0 c u 合金时认为，在无外力作用时孪晶已存在，但施加外力后，组织中孪 晶数目大大增加。如去掉外力，组织又回到原始状态，类似于畴壁在外力作用 下的移动。因此认为孪晶的形成和消失伴随孪晶界的移动，在此过程中产生静 滞后作用而造成能量损失。 目前，具有代表性并投入商业化生产的有i n c r a m u t e 与s o n o s t o n 两种合金 网【i 嗣。n c r a m u t e 是由美国国际铜研究学会( n c r a ) 于6 0 年代初研制成功的， 7 四川大学硕士学位论文 m n 含量为4 0 左右，其余主要为c u 。为了增强机械性能和抗蚀性能，还添加 了a 1 ( 2 5 一6 ) ，n i ( 3 5 ) ，p b ( l ) ，f e ( 5 ) ，s n ( 2 ) 等合金元素。这 种合金因m n 含量高，马氏体开始转变温度较低，故常用于华氏1 5 0 度的工作 环境( 特别是室温条件下) 且经常发生碰撞冲击的机械部件( 如低功率传动齿 轮) ，其降噪效果明显。另外，这种合金对室温下的时效非常敏感，当工作时 间超过1 0 0 小时，阻尼特性下降8 5 。原因是由于出现了孪晶马氏体界面被间 隙固溶原子钉扎的现象。但最近一项研究证明“”，只要在该合金中添加微量的 铒( e r ) 就可避免钉扎形成并保持晶界运动通畅，从而使阻尼效果成倍提高，对室 温时效敏感度明显下降。 s o n o s t o n 合金【l ”是由英国s t o n m a n g a n e s e m a r t i n 公司于6 0 年代中叶发明的 一种铸造合金，成份为m n - 3 7 c u - 4 a 1 3 f e - 2 n i ( 质量百分比) 【3 】 2 1 】陋】。 现已广泛用于制造海军舰艇和潜艇推进器。在英皇家海军该合金被成功地应用 了2 8 年，并从7 0 年代初起向北约海军扩大使用。这种合金的弱点是其阻尼性 能在室温以上随温度上升逐渐下降。一般认为阻尼性能只能维持在1 0 0 。c 下，使 用温度需低于8 0 。受到锰含量的强烈限制，当使用温度高于1 0 0 后，合金 的马氏体不稳定，会发生转变 1 舶。含锰量越高，马氏体转变点m s 就越低。在 m s 以下使用时，晶内存在许多微细的孪晶组织，可以得到高的内耗；反之，由 孪晶机制所引起的内耗消失。锰含量高时，合金塑性较差，加工性能恶化。目 前，m n - c u 合金的焊接问题在国内已经取得成功【2 3 1 。 n i t i 基合金是一类特殊的阻尼合金，其代表是n i t i n o l 合金( t i 4 9 、 n i 5 1 ) t 2 4 2 y j 2 6 1 。其突出特点是可在低温下通过应变诱发马氏体相变，发生变形； 而在应力去除后，可在稍高温度下恢复到原来形状，这种现象被称为热弹性。 这种相变又被称为热弹性马氏体相交。研究发现，这类合金同时还具有极高的 阻尼特性。合金的比阻尼特性高达4 0 以上，因此被称为消噪合金( q u i e t a l l o y ) 。 其产生阻尼的机理在于外界应力诱发的变形复原过程要吸收大量的能量。例如， 当略高于马氏体相交起始温度( m s ) 时施加应力，应变将诱发马氏体相变，并吸 收大量化学自由能；此外，母相与新生马氏体相界面还会发生相对运动。这两 种机制都会导致了内耗的发生。如在低于马氏体相变终了温度施加应力，将引 起马氏体孪晶晶界运动，发生晶格畸变，吸收大量能量，产生内耗。由上述阻 尼机制可知，合金的阻尼与应变振幅有关，与振动频率无关。即合金的阻尼随 四川大学硕士学位论文 应变量增大而增大，达到某一峰值后随应变的继续增大而下降。 这种合金一般是在6 0 0 1 0 0 0 进行固溶水冷后使用，由于其兼有形状记 忆特性和阻尼特性，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。 n i - t i 阻尼合金的最大缺点是合金的加工性差。另外，合金阻尼性能对工作 温度相当敏感。在马氏体相变温度以下，其阻尼性能迅速上升至峰值，而一旦 高于马氏体相变温度，其阻尼性能迅速下降，甚至完全丧失。研究表明“，当 温度达8 5 时，阻尼会全部丧失。还有研究指出，在3 5 0 下时效后，合金的 常温阻尼性能下降。另外，合金元素镍钛含量高，价格昂贵。合金的加工和焊 接困难，应用受到相当的限制。 4 ) 铁磁性型阻尼合金 铁磁型阻尼合金，其阻尼机制是在受到外界交变振动时，合金中的磁畴壁 发生非可逆移动，形成磁一机械滞后作用，从而在应力和应变关系上出现滞后 回线，造成能量耗散，形成对振动的衰减阻尼。铁磁型阻尼合金主要是铁基合 金，包括f c - c r 基、f 伊c o 基、f e a l 基以及c o - n i 基合金等【2 刀【2 8 】 2 9 1 。这类合金 的特点是：内耗强烈依赖于应变振幅，应变振幅增大，阻尼可大幅度地得到提 高，直到一个峰值，然后又逐渐降低；内耗受磁畴壁移动难易程度的控制，移 动越容易则内耗越高，当到达磁饱和时，阻尼性能锐减；甚至消失。 5 ) 其它类型的阻尼材料 除了上述四类阻尼合金以外，还有一些同时具备上述二种或二种以上的阻 尼机制的合金。其中值得一提的是减振复合结构材料。该材料分为约束型和非 约束型两类【l l 】【3 0 】。约束型是在两块金属板中间夹入树脂而制成的夹层材料。其 减振性能取决于树脂剪切变形时所导致的振动衰减。树脂的振动衰减能力突出 表现在从玻璃态转变为橡胶态的温度范围( 粘弹性范围) ，因此应用时需要考虑 材料的使用温度范围。非约束型则是在金属板表面粘贴树脂。其减振性能在树 脂伸长变形过程中产生。因树脂的使用温度一般难以超出0 1 5 0 c 的范围，加 上高分子材料本身易燃且燃烧时会产生有害气体，因此其应用范围会受至一定 的限制。 9 四川大学硕士学位论文 从以上分析可见，尽管各类阻尼材料都具有减振降噪的特性，但它们的阻 尼机制却有着明显的不同。复相型阻尼合金( 例如z n - a 1 合金) 的阻尼机制属 于动滞后型( 线性) ，其阻尼性能与温度和频率有关，而位错型( m g 基合金) 、 孪晶型( m n 基合金) 和铁磁性型阻尼合金( f e 基合金) 的阻尼机制则属于静 滞后型( 非线性) ，其阻尼性能与振幅有关，与频率无关。从应用特点看，位错 型阻尼合金( m g 基合金) 在1 5 0 下发生应变时效，阻尼性能会明显下降。孪 晶型阻尼合金只能在m s 点温度以下使用，高于此温度阻尼大大下降。铁磁性 型阻尼合金具有较好的耐蚀性能、加工性能和焊接性能，但需在居里点温度以 下使用，且必需经过退火处理。合金的阻尼性能还受到外界磁场和静载荷的影 响。现在就上述合金的特点作一个简单的对比，如表1 1 和表1 2 。 表卜1 阻尼合金的阻尼性能特点 表卜2 阻尼合金的性能特点 1 0 四川大学硕士学位论文 1 3 阻尼性能的表征 在实际测试过程中，有以下几个物理参数被用来描述材料的减振降噪能力。那”。 1 3 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数【4 】，即 ( 砉 a s ， 式中a 。a 。1 分别表示第n 次和第n 十1 次振动的振幅。当阻尼很小时，a n ：，a n t l ，则6 一o ；当阻尼很大时，a a 时l 一，则6 + o o 。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5 介于o l 的范围内。 当阻尼6 与振幅大小或振动次数无关时，公式( 1 3 ) 右侧为【3 2 】： h ( 砉 2 铷“一也 1 f 4 。1 = k = l h l 筹jl 且h + 七 = j = 研万 因此 万= 砉k ( 南 ( 1 - 4 ) 即线性阻尼的情况下，6 可以表达为相邻m 次振幅a n 和a 。的比值的函数。 1 3 2 内耗( 0 _ 1 ) 品质因子的倒数叫内耗，也可称为损失因子，是材料振动一周所损耗的能 四川大学硕士学位论文 量与其最大弹性储能之比【3 3 】， ：堡 。 2 n w ( 1 5 ) 其中w 为给材料加载至最大时储存的能量，a w 为材料振动一周耗散的能 量。 在相邻两次振动( 即循环一周) 的振幅a n 和a 。l 处系统总能量分别等于 势能专砩，和专砩，所以公式( 1 - 5 ) 中 a r v = 言磁一1 2 k a 。2 睨= 丢枷： q = 上2 x 丝幽a t 斗e 吒钏2 斗e 吐符 q