文档介绍：第一章绪论
阻尼合金工程应用背景及其发展概况
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。据统计,在机器制造业中有80%的事故和设备损坏是由于共振所致。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[1,2]。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。
统计显示[3],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216亿元人民币,类似的经济损失美国为51亿美元,,。为此,我国制定了一系列国家和地方标准,比如GB3096-93《城市区域环境噪声标准》和 GB12525-90《铁路边界噪声限值及其测量方法》等[4],并采取了大量措施进行振动和噪声控制。但总体来说,同发达还有一定差距。
长期以来,随着对振动和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五种[5]:
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。
第五,利用减振材料(高阻尼材料)制作振动源构件,将机械能转化为热能而使振动在短时间内衰减下来,达到减振降噪的目的。
最后一种方法是从振动源和噪声源出发,可以从根本上解决振动和噪声问题,适合于小型、轻量、和高速化发展的方向。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。高分子材料例如减振橡胶、尼龙等就是具有粘滞性质的阻尼材料,在强度和使用温度容许的条件下,有人曾采用尼龙制造成齿轮,达到了减振降噪的效果[6]。但这类材料最大的缺点是机械性能尤其是强度太低,远不如金属材料,在使用过程中磨损非常严重,这势必影响其使用寿命和带来安全上的隐患。
金属材料是在工业生产和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,金属材料如果同时具有减振降噪能力,就有可能在需要减振降噪的场合得到更广泛的应用。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[7]。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浆上,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。经过半个多世纪的发展,现在世界上已出现了数十种新型的阻尼减振合金,比如既有优良耐蚀性又有高疲劳强度的Co-Ni合金,轻且减振性能很好、广泛用做火箭卫星上精密仪器防振台架的Mg-Zr合金,耐蚀性和力学性能优良的Ni-Ti合金,加工性和耐蚀性优良的Fe-Cr-Al合金等[8,9]。
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象青铜、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。阻尼合金吸收振动能量的能力一般高于30%,而一般的金属如碳钢吸收振动能量的能力仅为4% [10]。
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。
根据阻尼机制的不同,目前的阻尼合金主要可分为:铁磁型(Fe-Cr、Fe-Al等)、孪晶型(Mn-Cu、Ni-Ti、Cu-Zn-Al等)、复相型(灰铸铁、Zn-Al)、位错型(Mg-