阻尼合金(Dampingalloy)材料阻尼性能阻尼合金的分類阻尼合金的特性阻尼合金的應(yīng)用阻尼合金的其他類型1(1)概述隨著近代各種機(jī)械的功率、速度不斷增加，振動(dòng)造成的有害噪聲也隨之增長(zhǎng)。有害的振動(dòng)導(dǎo)致材料疲勞，并降低機(jī)械部件的工作可靠性。潛艇發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲沿艇體的傳播和發(fā)射，不但干擾導(dǎo)航儀器的正常工作，而且將自己暴露給敵人。音像系統(tǒng)中的機(jī)械振動(dòng)將不可避免地調(diào)制成背景噪聲，降低“信噪比”，影響圖像的聲音和質(zhì)量。噪聲在造成嚴(yán)重的環(huán)境污染的同時(shí)還惡化勞動(dòng)條件，刺激人體中樞神經(jīng)和血管系統(tǒng)。據(jù)美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全與健康研究所1971年的調(diào)查，至少10％的工作人員處于90dB以上的工作環(huán)境。為達(dá)到規(guī)定的90dB噪聲標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)界需耗資135億美元；若把標(biāo)準(zhǔn)降到85dB水平，則需316億美元。目前各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)噪聲引起的環(huán)境污染問(wèn)題十分重視，如法國(guó)在20世紀(jì)70年代就對(duì)1.材料阻尼性能2機(jī)場(chǎng)的噪聲污染進(jìn)行課稅。表1列出在不同連續(xù)工作時(shí)間中，環(huán)境允許的噪聲水平(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn))。治理機(jī)械振動(dòng)噪聲方法有三種：系統(tǒng)減振、結(jié)構(gòu)減振和材料減振。雖然可以從設(shè)計(jì)上使構(gòu)件剛固化，采用合理的設(shè)計(jì)或采用附加隔音裝置等結(jié)構(gòu)減振，但勢(shì)必使機(jī)器大型化，重量增加，成本提高。對(duì)于工作在動(dòng)力狀況下的機(jī)械與結(jié)構(gòu)零件，采用具有大內(nèi)耗的“高阻尼合金”，對(duì)減小有害振動(dòng)和噪聲、阻礙其傳播，以及降低共振峰值應(yīng)力等方面是有效的，在許多情況下，甚至是惟一可采用的方法。由于這種合金存在大的內(nèi)耗，結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)很快地衰減、在共振狀況下受迫振動(dòng)的振幅大大降低；在自由度大的結(jié)構(gòu)中，脈沖應(yīng)力顯著降低而且在動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中的工作時(shí)間/(h/d)864321.510.50.25噪聲級(jí)/dB80929597100102105110115表1環(huán)境允許的噪聲水平3地方發(fā)生松弛。如前蘇聯(lián)對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸振動(dòng)的研究表明，當(dāng)其振動(dòng)向共振過(guò)渡時(shí)，曲軸中依靠材料的阻尼消耗振動(dòng)能量的60％~65%，而用結(jié)構(gòu)減振僅消耗35％~40％。利用阻尼合金達(dá)到減振有三大優(yōu)點(diǎn)：防止和減少振動(dòng)，防止和減少噪聲，增加材料的疲勞壽命。(2)阻尼的概念和度量

1)內(nèi)耗和阻尼固體對(duì)振動(dòng)的衰減，是彈性波與固體內(nèi)的各種缺陷(點(diǎn)，線，面)或聲子、電子、磁子等元激發(fā)的相互作用，而使機(jī)械能消耗的現(xiàn)象，是一種力學(xué)損耗。一個(gè)自由振動(dòng)的固體，即使與外界完全隔離，它的機(jī)械能也會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能，從而使振動(dòng)逐漸停止。如果一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)處于強(qiáng)迫振動(dòng)，則必須不斷從外界供給能量才能維持振動(dòng)。這種由于材料內(nèi)部的原因而使機(jī)械能消耗的現(xiàn)象稱為內(nèi)耗或稱阻尼。高阻尼合金就是利用金屬材料內(nèi)部的各種相應(yīng)阻尼(內(nèi)耗)機(jī)制，吸收機(jī)械振動(dòng)能，并將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能而4耗散，從而達(dá)到對(duì)機(jī)械、儀器儀表等的減振或降噪功效。眾所周知，對(duì)于完全彈性體而言，應(yīng)變能夠單一地為每一瞬間的應(yīng)力所確定，即應(yīng)力和應(yīng)變間存在著單值函數(shù)關(guān)系。這樣的固體在加載和去載時(shí)，應(yīng)變總是瞬時(shí)達(dá)到其平衡值。圖1應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖a)交變載荷下完全彈性體b)實(shí)際固體在發(fā)生振動(dòng)時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變始終保持同位相，而且呈線性關(guān)系，稱為“彈性”，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)耗，如圖1a所示。實(shí)際固體則不同，當(dāng)加載和去載時(shí)，其應(yīng)變不是瞬時(shí)達(dá)到平衡值，當(dāng)振動(dòng)時(shí)應(yīng)變的位相總是落后于應(yīng)力，這就使得應(yīng)力和應(yīng)變不是單值函數(shù)，稱為“滯彈性”。顯然，在遠(yuǎn)低5于引起范性形變的應(yīng)力下能觀察到內(nèi)耗(阻尼)現(xiàn)象這一事實(shí)表明，實(shí)際固體沒(méi)有一個(gè)真正的“彈性區(qū)”。這些非彈性行為在應(yīng)力-應(yīng)變圖上出現(xiàn)滯后回線，振動(dòng)時(shí)就要產(chǎn)生內(nèi)耗，其內(nèi)耗的大小決定于回線所包圍的面積，如圖1b所示?？梢?jiàn)內(nèi)耗是與實(shí)際固體的非彈性行為相聯(lián)系的現(xiàn)象。若用W表示總振動(dòng)能量，ΔW表示固體振動(dòng)一周的能量損耗，則可用ΔW/W來(lái)衡量?jī)?nèi)耗的大小，而物理學(xué)上為了與阻尼的電磁回路相對(duì)應(yīng)，常采用Q-1來(lái)表示內(nèi)耗，這里Q是振動(dòng)系統(tǒng)的品質(zhì)因子，類似于電磁回路中品質(zhì)因子的定義。內(nèi)耗的計(jì)算公式為

(1)目前有多種量度內(nèi)耗的方法，它們隨測(cè)量方法或振動(dòng)模式而不同，但相互間可以轉(zhuǎn)換。2)內(nèi)耗和阻尼的度量6①自由衰減法。圖2為自由振動(dòng)的衰減曲線。材料在最初受外力激發(fā)及去除外力后，其振動(dòng)的振幅隨時(shí)間衰減。阻尼大的材料，衰減速率快。采用振幅的對(duì)數(shù)縮減量δ

來(lái)量度內(nèi)耗的大小，這里δ表示相鄰兩次振動(dòng)中振幅比的自然對(duì)數(shù)，即取第一次的振幅An和第n+1次的振幅的對(duì)數(shù)值。計(jì)算內(nèi)耗Q-1公式如下：圖2自由振動(dòng)的衰減曲線(2)②

強(qiáng)迫共振法。當(dāng)試樣作強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)，根據(jù)振動(dòng)方程求解，可以得到應(yīng)變振幅隨角頻率變化的共振曲線(見(jiàn)圖3)表示式，由此可求得內(nèi)耗為7式中，φ是應(yīng)變落后于應(yīng)力的相角，ωr是共振角頻率；ω1、ω2為振幅下降到最大值的1/時(shí)前、后的角頻率?？梢?jiàn)只要在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得共振曲線，即可(3)圖3共振曲線求出內(nèi)耗值。顯然當(dāng)采用共振法時(shí)，內(nèi)耗測(cè)量的精度隨Δω=ω1-ω2的增加而提高，因此在高阻尼情況下采用共振法是較為合理的。振動(dòng)頻率與試樣的幾何尺寸有關(guān)，圓柱試樣的扭振動(dòng)和縱振動(dòng)模式的頻率，主要決定于試樣的長(zhǎng)度，其頻率范圍一般在104~106Hz。橫振動(dòng)模式的頻率在3×102~104Hz，取決于試樣的長(zhǎng)度和直徑或橫截面。8③

比阻尼。工程上使用比阻尼(衰減系數(shù))S.D.C(%)(SpecificDampingCapacity)定義：(4)式中，An是第n個(gè)振幅；An+1是第n+1振幅。④S.D.C和Q-1的關(guān)系。衰減可用Q-1或δ，在衰減能大時(shí)一般用S.D.C，兩者的關(guān)系為(5)

S.D.C

值超過(guò)20％的材料定義為高阻尼材料，表2列出了一些金屬材料在室溫時(shí)的阻尼特性。9材料比阻尼性能S.D.C(%)屈服強(qiáng)度/MPa密度/(g/cm3)鎂(精鍛)491801.74Cu-Mn(Incramute,Sonoston)403107.50Ni-Ti(Nitinol)403106.45Fe-Cr-Al(Silentalloy)402767.40高碳鑄鐵191727.70純鎳18628.90純鐵16697.86馬氏體不銹鋼85267.70灰鑄鐵61727.80SAP(鋁粉)51382.55低碳鋼43457.86鐵素體不銹鋼33107.75球墨鑄鐵23457.80中碳鋼14137.86奧氏體不銹鋼12407.80表2一些金屬材料在室溫時(shí)的阻尼特性10(1)復(fù)合型在強(qiáng)韌的基體中，如有軟的第二相析出，則在基體和第二相的界面上，容易發(fā)生塑性流動(dòng)或粘性流動(dòng)，外界的振動(dòng)或聲波可以在這些流動(dòng)中消耗，聲音被吸收。片狀石墨鑄鐵中75％~90％的碳在基2.阻尼合金的分類圖4Fe-C-Si復(fù)相型阻尼合金的石墨分布

a)金相照片b)掃描電鏡照片體中為片狀石墨，斷口呈灰色，可用于制造機(jī)床底座和電動(dòng)機(jī)機(jī)座。圖4示出Fe-C-Si復(fù)相型阻尼合金的石墨分布。然而片狀石墨鑄鐵加工困難、質(zhì)脆、機(jī)械強(qiáng)度低、耐蝕性差，因而應(yīng)用受到限制。如在碳當(dāng)量為4.5％~5.2％的鑄鐵中加入少量鋯，或加入其他少量的合金元素，使片狀石墨粗大成長(zhǎng)，可提高鑄鐵的衰減系數(shù)。11另一復(fù)合型阻尼合金為Al-Zn(SPZ)、Al-40Zn和Al-78Zn合金經(jīng)固溶化處理，隨后經(jīng)150℃時(shí)間時(shí)效，在晶界有Zn的不連續(xù)析出物形成。合金的衰減能隨溫度增高而上升，在50℃附近可獲得高的衰減系數(shù)S.D.C=30%，這是最早報(bào)道的高阻尼合金。由于這種合金具有牢固、便宜、輕巧和易于加工等特點(diǎn)，因它能吸收馬達(dá)的微振使唱針免干擾確保音質(zhì)清晰，可用來(lái)制作唱機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)。用這種材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和部分機(jī)械，能使噪聲大幅度減弱。在新型減振降噪(高阻尼)ZDAI(Zn-18-27AlMnCuSiMg)鑄造Zn-AI合金基礎(chǔ)上，添加Ti(0.01~0.5)、B(0.001~0.22)、Zr(0.01~0.8)、Ge(0.01~0.5)、Re(0.01~1.0)等微量元素，能對(duì)Zn-Al阻尼合金的組織進(jìn)行細(xì)化作用，使強(qiáng)韌性得到改善，且合金元素的加入對(duì)Zn-Al母合金的界面可動(dòng)性影響不大，而可動(dòng)界面的數(shù)量增加，使阻尼性能得到相應(yīng)的提高。多元素優(yōu)化配比共同添加可使強(qiáng)度上升14％左右，伸長(zhǎng)率上升30%，其阻尼性能(內(nèi)耗值)可提高30％以上。12(2)強(qiáng)磁型磁性體內(nèi)部被劃分成由磁壁包圍的磁疇小單元，在外加交變應(yīng)力下，磁壁振動(dòng)吸收能量，這種能量的損耗產(chǎn)生的阻尼為強(qiáng)磁性型阻尼。磁彈性內(nèi)耗是鐵磁材料中磁性與力學(xué)性質(zhì)間的耦合所引起的。磁致伸縮現(xiàn)象提供了磁性與力學(xué)性質(zhì)的耦合。由于在應(yīng)力作用下存在磁彈性能，因而可引起磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)和疇壁的推移。由于這種交變應(yīng)力引起磁疇的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)不可逆過(guò)程，在能量上引起從機(jī)械能到熱能的轉(zhuǎn)換。磁彈性內(nèi)耗一般可分為三類：①宏觀渦流損耗；②微觀渦流損耗；③與磁機(jī)械滯后有關(guān)的損耗。通常前兩種損耗數(shù)值不大，而磁機(jī)械損耗則要大得多，故對(duì)于創(chuàng)造高阻尼合金具有實(shí)際意義。這一類的阻尼合金是鐵基阻尼合金，例如1Cr13類型鐵素體鋼的阻尼性能大約比奧氏體不銹鋼高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在要求較高強(qiáng)度和耐熱的條件下，鈷鎳基合金的比阻尼性能又比鐵素體鉻鋼要高好幾倍。13

(1)鐵基阻尼合金一般的鐵基合金阻尼能力很小。中碳鋼的比阻尼能力S.D.C只有1%，低碳鋼的S.D.C只有4%，即使在20世紀(jì)50年代，美國(guó)工程界競(jìng)相試驗(yàn)研究的403鋼(Fe-12Cr-0.5Ni)S.D.C值也不足10％。但是，對(duì)Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-Co、Fe-W系合金成分的合理匹配，可以大幅度提高鐵基合金的限尼性能。含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12％~14％鉻的Fe-Cr合金，其S.D.C值高達(dá)80％。對(duì)Fe-Mo兩元合金的研究結(jié)果表明：當(dāng)Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0％~16％范圍內(nèi)，隨著Mo含量增加，F(xiàn)e-Mo合金的機(jī)械強(qiáng)度也增加，但是，共阻尼性能則在Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％時(shí)，達(dá)到最佳值。然而，兩元合金的強(qiáng)度太低，實(shí)用價(jià)值不大。為了提高強(qiáng)度，又在兩元系基礎(chǔ)上，添加其他合金元素，形成多元高阻尼合金。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在Fe-Cr-Al三元系的等溫退火截面上，存在著高阻尼區(qū)，在Fe-12Cr基礎(chǔ)上，再添2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Mo，雖然可以維持高阻尼能力，提高強(qiáng)14度，但使塑性大大下降；在Fe-12Cr-2.5Mo基礎(chǔ)上，再添1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Cu，則不僅進(jìn)一步提高阻尼性能和強(qiáng)度，塑性也得到了改善；而在Fe-12Cr基礎(chǔ)上，添加3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Al，其S.D.C值達(dá)到60%，并且具有高的強(qiáng)度和良好的塑性。大部分鐵基高阻尼合金盡管內(nèi)耗大、強(qiáng)度高、加工性能好，但韌度很低。并且由于鐵基高阻尼合金一般為單相鐵素體組織，難以通過(guò)熱處理調(diào)整力學(xué)性能。為克服這些缺點(diǎn)，以雙相組織為其特點(diǎn)，在熱處理時(shí)，將鋼加熱到奧氏體和鐵素體兩相溫度區(qū)，并保溫一定時(shí)間，使鋼中形成奧氏體和鐵素體兩相；冷卻時(shí)，鋼中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，然后，在高于400℃而又低于相變點(diǎn)溫度區(qū)回火，形成鐵素體和回火馬氏體組織。這樣，就可以通過(guò)控制回火馬氏體的數(shù)量，調(diào)整合金的綜合性能。表3列出1100℃回火后Fe-Cr基合金的力學(xué)性能和阻尼性能。2)影響鐵基合金阻尼性能冶金因素15合金名稱HVσ/MPaσ0.2/MPaδ(%)E/MPaS.D.CFe-10Cr144---20613Fe-12Cr1232681572617739Fe-14Cr1322871492017635Fe-16Cr1373101442417335Fe-12Cr-2.5Mo1653292571018537Fe-12Cr-2.5Mo-2.5Ti180402276518811Fe-12Cr-2.5Mo-1Cu2014303191818042Fe-16Cr-2.5Ti182450288819314Fe-16Cr-2.5Ti-2.5Mo2013923462224<4Fe-16Cr-2.5Ti-1Cu210460388419515Fe-12Cr-3Al1833943062219760表31100℃回火后Fe-Cr基合金的力學(xué)性能和阻尼性能16①碳、氮、氧間隙原子阻礙疇壁的運(yùn)動(dòng)，從而損害阻尼性能，因此，盡量減小這些元素的含量是保證阻尼能力的根本措施之一。如美國(guó)的Fe-Cr-Al和Fe-Cr-Mo合金，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.007%，氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0012%,氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.021%，在日本專利中，往往要求碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.003％。②

在熱處理工藝上，一般退火溫度越高、冷卻速度越慢，阻尼性能越好。高的退火溫度，可獲得大的晶粒；慢的冷卻速度，可減小內(nèi)應(yīng)力。所有這些，都有利于疇壁的運(yùn)動(dòng)。③

在微觀組織上，以單相鐵素體組織為佳。組織中出現(xiàn)第二相，尤其是非鐵磁性相，都將損害阻尼性能。因此，在成分設(shè)計(jì)上，往往要保證在室溫是單相鐵素體。④

冷變形后，合金內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力增大，位錯(cuò)增多，阻礙磁疇的運(yùn)動(dòng)，從而使合金阻尼能力下降。一般當(dāng)冷變形量達(dá)到5％時(shí)，磁機(jī)械阻尼已基17本消失，但是通過(guò)退火處理可恢復(fù)合金原有的阻尼能力。3)鐵基合金阻尼性能與外界條件的關(guān)系①應(yīng)變振幅。應(yīng)變振幅是影響鐵基合金阻尼性能的最敏感因素之一。眾多的研究結(jié)果表明：在合金材料的阻尼能力-應(yīng)變振幅關(guān)系曲線上，有一阻尼峰，但阻尼能力按什么函數(shù)關(guān)系隨應(yīng)變振幅增大而增大或減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不完全一致。通過(guò)合金化和熱處理，可改變此阻尼峰的位置以及形態(tài)，依然是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題，這對(duì)于鐵基高阻尼合金的應(yīng)用，具有重要意義。②振動(dòng)頻率。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)頻率超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，阻尼性能會(huì)急劇惡化。這個(gè)臨界值，稱為Barkhausen跳動(dòng)頻率，約為300kHz。超過(guò)此臨界頻率時(shí)，磁疇的運(yùn)動(dòng)趕不上振動(dòng)應(yīng)力的變化，磁機(jī)械阻尼機(jī)制失效，阻尼能力急劇下降。在此臨界值以下，即在聲頻范圍內(nèi)，頻率對(duì)阻尼性能的影響不大。18③工作溫度。由于鐵基高阻尼合金的組織為單相鐵素體，鐵磁性消失的居里溫度在700℃左右，因此在高溫時(shí)，鐵基合金也具有高阻尼能力。④磁場(chǎng)。鐵基高阻尼合金的高阻尼性能主要源于磁-機(jī)械滯后效應(yīng)。因此施加外磁場(chǎng)后，將影響合金的阻尼能力。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于矯頑力后，阻尼能力一般隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而減小。當(dāng)合金磁化到飽和時(shí)，磁機(jī)械阻尼也就消失。⑤靜應(yīng)力。靜應(yīng)力對(duì)阻尼性能的影響傾向與磁場(chǎng)相似，一般來(lái)說(shuō)，施加靜應(yīng)力后，將損害阻尼性能，施加的靜應(yīng)力越大則阻尼能力的損失也越大。由于施加靜應(yīng)力后，合金內(nèi)部磁化狀態(tài)要改變。當(dāng)施加的應(yīng)力足以使內(nèi)部磁化飽和時(shí)，磁機(jī)械阻尼機(jī)制就不再起作用了。⑥交變應(yīng)力。在交變應(yīng)力下，當(dāng)平均應(yīng)力增大時(shí)，合金的阻尼性能迅速惡化。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)平均應(yīng)力為(49±196)MPa時(shí)，即使循環(huán)次數(shù)達(dá)到105，SIA合金的阻尼能力也不發(fā)生改變；平均應(yīng)力達(dá)到(147±49)19MPa時(shí)，隨循環(huán)次數(shù)的增加，合金阻尼能力就會(huì)下降。因此，合金只有在小于某一平均應(yīng)力條件下應(yīng)用才會(huì)有效。(3)位錯(cuò)型

格拉那托-魯依柯(Granato-Lucke)的位錯(cuò)阻尼釘扎模型如圖5所示。圖5位錯(cuò)阻尼的釘扎模型a)被雜質(zhì)釘扎的位錯(cuò)在應(yīng)力下的脫離;b)位錯(cuò)應(yīng)力應(yīng)變途經(jīng)20通常情況下，位錯(cuò)被雜質(zhì)原子釘扎見(jiàn)圖5a的a；隨外應(yīng)力加大，位錯(cuò)突出成弧形見(jiàn)圖5a的b,c；當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增大，位錯(cuò)可從釘扎處脫開(kāi)見(jiàn)圖5a的d,e；最后形成位錯(cuò)環(huán)見(jiàn)圖5a的f。當(dāng)應(yīng)力減小時(shí)，位錯(cuò)沿f→

e→d，之后不經(jīng)過(guò)c，b而直接回到a，如圖5b所示，圖中的陰影部分能量轉(zhuǎn)變成熱能散逸出去，這就是這類阻尼機(jī)制的基本原理。這類合金具有最大的衰減系數(shù)。鑄造鎂合金的衰減系數(shù)可達(dá)60%，由于它的強(qiáng)度大，密度小(1.74g/cm3)，能承受大的沖擊負(fù)荷，以及對(duì)堿、石油、苯和礦物油等有較高化學(xué)穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。所以鎂合金(Mg-0.6Zr的KlXl合金)已被用在火箭的姿態(tài)控制盤(pán)和陀螺儀的安裝架等精密裝置上。這種合金最適用于宇航和運(yùn)輸工業(yè)上作為減振材料應(yīng)用。(4)孿晶型

孿晶是晶體中的面缺陷，以孿晶面為對(duì)稱面，孿晶面兩邊的晶體結(jié)21構(gòu)鏡面對(duì)稱。孿晶面在外應(yīng)力下的易動(dòng)性和弛豫過(guò)程，造成對(duì)振動(dòng)能的吸收。1948年，C.Zener發(fā)現(xiàn)Mn-12Cu合金經(jīng)925℃時(shí)效幾小時(shí)后水冷，在室溫附近具有很高的內(nèi)耗值。他指出該內(nèi)耗是由于(101)和(011)孿晶面的應(yīng)力感生運(yùn)動(dòng)引起的。F.Worrell采用電磁激發(fā)共振棒法，證實(shí)在頻率700Hz和0℃附近，該合金存在一個(gè)10-2數(shù)量級(jí)的內(nèi)耗峰，與該合金強(qiáng)烈形成孿晶的性質(zhì)相對(duì)應(yīng)，并首先用金相腐蝕方法觀察到了該孿晶組織。在退火過(guò)程中，隨著孿晶的不斷消失，內(nèi)耗峰也逐漸降低。近年來(lái)的工作表明，Mn-Cu合金這一內(nèi)耗峰和模量虧損的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以確定屬于弛豫型內(nèi)耗。改變頻率測(cè)量?jī)?nèi)耗與模量(或頻率)的變化，可以看到弛豫峰隨頻率增大而向高溫方向移動(dòng)，但更高溫度的相變峰溫卻不隨頻率變化而移動(dòng)。1)高錳(wMn>70%)的錳銅二元高阻尼合金Mn-12Cu合金聲頻橫振動(dòng)下的內(nèi)耗溫度譜如圖6所示。是試樣經(jīng)均勻化退火處理后，在850℃22或900℃固溶處理2h后，迅速淬入10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的KOH溶液中，在聲頻橫振動(dòng)下的內(nèi)耗溫度譜。它有兩個(gè)明顯的內(nèi)耗峰：低溫峰(主峰，0℃附近)為孿晶界的弛豫峰，峰高可達(dá)10-2數(shù)量級(jí)；高溫峰(副峰)為馬氏體相變峰，峰溫處伴隨彈性模量的軟化。隨著試樣中錳含量的降低，馬氏體相變峰向低溫側(cè)移動(dòng)，當(dāng)wMn＜74％時(shí)，不再有孿晶峰和馬氏體相變峰。Mn-Cu合金中順磁-反鐵磁轉(zhuǎn)變與fcc-fct馬氏體相變，是兩個(gè)相互獨(dú)立的相變。磁轉(zhuǎn)變尋致fcc

晶體的四方畸變，這為fcc-fct馬氏體轉(zhuǎn)變奠定圖6Mn-12Cu合金聲頻橫振動(dòng)下的內(nèi)耗溫度譜23基礎(chǔ)，并由此觸發(fā)了fcc-fct轉(zhuǎn)變。由磁性轉(zhuǎn)變?cè)斐傻乃姆交兌?10-6數(shù)量級(jí))及fcc-fct馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)斐傻乃姆交兌?10-2數(shù)量級(jí))產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，都因?qū)\晶的形成而得到釋放，但由于這兩個(gè)轉(zhuǎn)變溫度非常接近，因此通常認(rèn)為，在某一溫度，順磁fcc高溫相轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁fct低溫相。錳銅合金的高阻尼，來(lái)源于反鐵磁馬氏體孿晶在外力作用下的弛豫運(yùn)動(dòng)及再取向，即是馬氏體相變?yōu)殄i銅合金獲得高阻尼的必要條件，圖7示出孿晶金相組織。但當(dāng)合金中的wMn＜70％時(shí)，由于Ms點(diǎn)遠(yuǎn)低于室溫，因此不能在室溫附近發(fā)生上述相變，從而獲得高阻尼，此時(shí)通常在400~600℃時(shí)效來(lái)使合金的相變點(diǎn)升高。圖7孿晶金相組織242)中錳(wMn=40%~60%)的錳銅多元高阻尼合金當(dāng)Mn-Cu合金的wMn>30％時(shí)，其平衡組織為(α+γ)相：wMn=40%~60%的Mn-Cu合金時(shí)，從γ相區(qū)水淬后，在450℃、550℃、600℃等不同溫度時(shí)效，發(fā)生γ→α+γ分解。在此過(guò)程中，MS點(diǎn)明顯升高，并且γMn-Cu合金在時(shí)效過(guò)程中的分解是一個(gè)漸近的過(guò)程。在γ→α+γ的早期階段，將優(yōu)先形成富錳區(qū)域，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，將有α-Mn的沉淀析出。在α-Mn析出之前，合金一直保持單一的γ相。由于富錳區(qū)的形成，產(chǎn)生了顯微不均勻性，在隨后的冷卻過(guò)程中，這些富錳微區(qū)所發(fā)生的反鐵磁轉(zhuǎn)變和fcc-fct馬氏體相變(形成反鐵磁的fct結(jié)構(gòu))，與高錳的Mn-Cu合金從高溫γ相淬火冷卻過(guò)程中的轉(zhuǎn)變類似，因此，中錳的Mn-Cu合金，淬火后再經(jīng)400~600℃時(shí)效處理，可使其轉(zhuǎn)變溫度升高，從而在室溫附近發(fā)生相變而獲得高阻尼。通常認(rèn)為γMn-Cu合金在亞穩(wěn)混溶區(qū)內(nèi)時(shí)效所發(fā)生的分解為亞穩(wěn)態(tài)Spinodal分解，隨后冷卻所形成的花呢狀馬氏體孿晶，為高阻尼內(nèi)耗源。25圖8為這種分解的調(diào)幅結(jié)構(gòu)形貌，其形貌類似粗花呢織物。圖8調(diào)幅結(jié)構(gòu)形貌錳鋼二元高阻尼合金因錳含量高，耐蝕性差。通過(guò)降低錳含量，并添加鎳、鋁等合金元素。合金從γ相區(qū)淬火后，在亞穩(wěn)互溶區(qū)時(shí)效，一方面使合金的反鐵磁轉(zhuǎn)變及馬氏體相變的相變點(diǎn)升高，從而在室溫附近發(fā)生相變以獲得高阻尼；另一方面兼具耐腐蝕、強(qiáng)度、韌性等綜合力學(xué)性能。國(guó)際銅研究協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的Incramute(45Mn-53Cu-2AI)早已取得商業(yè)應(yīng)用，其典型熱處理工藝為：700~800℃(γ相區(qū))固溶處理后水淬，400℃時(shí)效8~16h(控制一定的時(shí)效時(shí)間，避免α-Mn析出降低阻尼性能)冷至室溫。26表4常見(jiàn)阻尼合金類型類型合金系實(shí)用合金復(fù)合型(應(yīng)力緩和型)Fe-C-Si片狀石墨鑄鐵Ai-ZnSPZ強(qiáng)鐵磁型(磁滯型)Fe-NiTDNiFe-Cr12%鉻鋼Fe-Cr-Al賽連塔羅依(消音合金)Fe-Cr-Ai-Mg特蘭卡羅依Fe-Cr-Mo肯塔羅依Co-NiNIVCO-10位錯(cuò)型(磁滯型)Mg-ZrKIKIMg-Mg2Ni孿晶型(*磁滯型-形狀記憶合金)(無(wú)*為應(yīng)力緩和型)Mn-Cu索諾斯頓Mn-Cu-Al尹克拉妙特Cu-Al-Ni*-Cu-Zn-Al*-Ni-Ti*尼基諾爾273.阻尼合金的特性(1)合金阻尼與強(qiáng)度的關(guān)系James做了金屬材料衰減系數(shù)S.D.

C

與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系的試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)圖9，得出各種材料的衰減系數(shù)的大小基本上與抗拉強(qiáng)度成反比傾向。圖上沒(méi)有指出的金屬材料，大部分的衰減系數(shù)在0.1％以下。圖中α為抗拉強(qiáng)度與衰減系數(shù)的乘積，α=10，α=100，α=1000三條直線表示了抗拉強(qiáng)度與衰減系數(shù)之間的關(guān)系傾向。非鐵金屬材料圖9金屬材料的抗拉強(qiáng)度與衰減系數(shù)關(guān)系

以衰減系數(shù)大，抗拉強(qiáng)度極低的鉛為出發(fā)點(diǎn)，沿α=10的直線，隨抗拉強(qiáng)度增高衰減系數(shù)降低。常用主要鋼鐵樹(shù)科，沿α=100的直線、隨抗拉強(qiáng)28度增加衰減系數(shù)降低。圖中用黑點(diǎn)表示的六種高阻尼合金，接近于α=1000的直線，其抗拉強(qiáng)度與衰減系數(shù)兩者都優(yōu)于其他材料。在相同的強(qiáng)度下，其衰減系數(shù)比其他材料約大10倍到100倍。(2)阻尼特性與溫度的關(guān)系

阻尼材料的阻尼機(jī)制不同，它們與溫度的依賴關(guān)系也明顯不同。孿晶型合金雖然室溫的阻尼性能很高，但由于馬氏體相變溫度的限制，使其使用溫度不得超過(guò)80℃。鐵磁型合金具有很好的高溫阻尼性能，在380℃以下，合金的阻尼性能不變；另外，這類合金還具有高于低碳鋼的抗拉強(qiáng)度，以及與鐵素體不銹鋼相當(dāng)?shù)哪臀g性和焊接性，并且有良好的熱加工、切削性能。這類合金在最大切應(yīng)變振幅下都有很高的內(nèi)耗值，比普通低合金鋼高幾百倍。實(shí)驗(yàn)表明，典型的鐵磁型Fe-Cr-Al合金，具有與普碳鋼相同的強(qiáng)度和物理性能，而且阻尼性能與木材相當(dāng)。29目前有抗拉強(qiáng)度大于600MPa的高阻尼合金，能滿足某些工業(yè)所提出的高強(qiáng)、高溫、高阻尼的要求。(3)阻尼特性與振幅的關(guān)系

各類高阻尼合金的阻尼特性或大或小地依賴于應(yīng)變(或應(yīng)力)振幅，復(fù)相型合金受振幅影響較小，孿晶型和位錯(cuò)型較大，鐵磁型最大。一般應(yīng)變振幅越大，阻尼越大。根據(jù)阻尼機(jī)制的不同，阻尼特性與振幅的依賴關(guān)系有兩種形式：①隨振幅增加而阻尼增加；②阻尼性能開(kāi)始隨振幅增加而增加，在達(dá)到飽和值后，有時(shí)會(huì)隨振幅增加而下降?？紤]到鐵磁型合金對(duì)應(yīng)變(或應(yīng)力)振幅的這種強(qiáng)烈依賴關(guān)系，在設(shè)計(jì)使用時(shí)應(yīng)充分加以利用，使振源的振幅落在阻尼最大的區(qū)域內(nèi)，以達(dá)到最佳的減振降噪效果。當(dāng)然，在使用鐵磁型合金時(shí)，注意不要在強(qiáng)磁場(chǎng)下工作。當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度大于1591.55A/m(20Oe)時(shí)，其阻尼性能急劇下降。另外，也不要在冷加工態(tài)(或內(nèi)應(yīng)力很大時(shí))使用，這將妨礙磁疇壁的30運(yùn)動(dòng)，從而降低阻尼性能?？傊?，鐵磁型合金使用的最佳態(tài)是低(或無(wú))磁場(chǎng)、應(yīng)力低而應(yīng)變幅大的橫振動(dòng)場(chǎng)合，以做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮材料的作用。(4)阻尼特性與頻率的關(guān)系

高阻尼合金之所以具有高的內(nèi)耗值，是因?yàn)樗诮邮芡饨绲恼駝?dòng)能量的同時(shí)，通過(guò)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)外來(lái)能量加以消耗。這種內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有兩種：①只與振動(dòng)的振幅有關(guān)而與頻率無(wú)關(guān)，靜滯后型內(nèi)耗，鐵磁型、孿晶型、位錯(cuò)型合金的阻尼特性屬此類型；②當(dāng)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)頻率與外界振動(dòng)頻率一致時(shí)，內(nèi)耗達(dá)到最大值，從而使內(nèi)耗對(duì)頻率有明顯的依賴關(guān)系，而與振幅無(wú)關(guān)，稱之為弛豫型內(nèi)耗，如復(fù)相型合金，其阻尼性能隨頻率的升高而下降(在低應(yīng)力幅時(shí))。另外，晶粒大小、晶界的敏化程度，微結(jié)構(gòu)的體積百分?jǐn)?shù)等冶金因素，對(duì)某些高阻尼合金的阻尼特性也有影響。因?yàn)樽枘崽匦詫⒂绊懖牧?1的使用壽命，近年來(lái)已逐步將它作為材料的基本特性加以考核。當(dāng)然，阻尼合金的耐磨性、耐蝕性、剛性、抗時(shí)效性、可焊性和加工性等，都因合金成分、阻尼機(jī)制的不同而不同，在合金研制與使用時(shí)，要區(qū)別情況，分別對(duì)待。324.阻尼合金的應(yīng)用各種類型的高阻尼合金均具有高的阻尼特性，在應(yīng)用上都有各自的特點(diǎn)與局限性。如復(fù)合阻尼鋼板阻尼值在10-1以上，但使用溫度目前不能超過(guò)80~100℃；鐵磁型高阻尼合金雖有使用溫度高的優(yōu)點(diǎn)，但不能在磁場(chǎng)下使用；孿晶型合金雖有高的強(qiáng)度，但成本太高，等等。因此，還必須研制價(jià)格低廉、有實(shí)用價(jià)值的各類高阻尼合金，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。(1)潛艇螺旋槳安靜性是潛艇的重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，而螺旋槳是潛艇的主要噪聲源之一。螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于水泡的激勵(lì)便會(huì)發(fā)生“唱聲”，這種“唱聲”易被敵艦聲納所捕獲。由于即使改進(jìn)設(shè)計(jì)方法也很難消除“唱聲”，因此采用高阻尼合金制造潛艇螺旋槳，就成了各國(guó)海軍都關(guān)心的課題。英國(guó)石錳海洋公司開(kāi)發(fā)的Sonoston(54Mn-37Cu-4AI-3Fe-2Ni)、國(guó)際銅研究協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的Incramute(43Mn-55Cu-2AI)等，就是專門(mén)為潛艇螺旋槳而研制的高阻33尼合金；前蘇聯(lián)的ABPOPA合金和我國(guó)的“2310”合金，就是專門(mén)為潛艇螺旋槳而研制的高阻尼合金。采用Silentalloy合金(Fe-12Cr-2AI)制造氣輪機(jī)葉片，大大提高其疲勞壽命?！?310”合金制造的潛艇螺旋槳，可使噪聲降低5~10dB，振動(dòng)降低3~12dB。(2)工程機(jī)械上使用

齒輪使用高阻尼合金的目的是為了降低齒輪吻合時(shí)所產(chǎn)生的噪聲。由于高阻尼合金硬度較低、耐磨性較差，所以不做齒牙，而是用于齒輪體，應(yīng)用部位有齒輪輻、鑲板、嵌環(huán)等。日本采用的方法是將高阻尼錳銅合金嵌環(huán)，通過(guò)紅套的方法固定在燃?xì)廨啓C(jī)的齒輪體上。加阻尼合金環(huán)后的齒輪的阻尼性能，與原鋼質(zhì)齒輪相比，提高阻尼約300倍。德國(guó)則用高阻尼合金制造齒輪輻，代替原45鋼齒輪輻，裝配在齒輪上，通過(guò)的噪聲比原齒輪降低4dB。為改善機(jī)器組裝廠的工作環(huán)境，將鏈條運(yùn)輸機(jī)導(dǎo)軌，采用Mn-Cu高阻尼合金，噪34聲從92dB降至87dB,耐久性也明顯提高。日本在Φ19mm的鑿巖機(jī)機(jī)桿中間插入一段Mn-Cu合金，新桿在高音區(qū)域聲壓降低約20dB，不過(guò)所采用的連接方法使機(jī)桿的強(qiáng)度有所下降；英國(guó)的德?tīng)査饘俟緦?duì)上述的裝配方法進(jìn)行了改進(jìn)，在鑿巖機(jī)機(jī)桿上裝配了長(zhǎng)88.9mm的Mn-Cu合金圓套，該方法沒(méi)有損害機(jī)桿的強(qiáng)度，而使噪聲降低8dB。(3)其他領(lǐng)域使用

高阻尼合金的應(yīng)用已涉及到許多領(lǐng)域，例如：當(dāng)無(wú)阻尼或小阻尼的隔聲構(gòu)件處于共振區(qū)和吻合效應(yīng)區(qū)時(shí)，因隔聲性能劇烈下降而導(dǎo)致平均隔聲量減少，采用高阻尼合金制作隔聲構(gòu)件不易引起共振，且吻合效應(yīng)引起的性能下降程度也減少，因此提高了隔聲性能。日本用高阻尼合金制造的高頻發(fā)電機(jī)罩代替鋼機(jī)罩，使平均隔聲量提高了大約7dB。Zn-27AI合金因其價(jià)格低廉、重量輕，且在較寬動(dòng)力范圍內(nèi)具有高內(nèi)耗值而被建筑行業(yè)采用。35在航空航天工業(yè)中，阻尼合金可作為火箭、導(dǎo)彈、噴氣式飛機(jī)的控制盤(pán)或?qū)Ш絻x等精密儀器及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩。一種取名為PROTEUS的Cu-Zn-AI合金，其阻尼性能可與Mn-Cu基