【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 為內(nèi)能的能力，這是材料的一種內(nèi)秉性能。理想彈性體在受外力情況下，應(yīng)變瞬間響應(yīng)應(yīng)力；而在非理想彈性體中，應(yīng)變會(huì)滯后應(yīng)力，在應(yīng)力 應(yīng)變曲線中，會(huì)形成滯后回線(hysteresis loop)，此時(shí)說(shuō)明材料具有阻尼性能（如 圖 所示）。根據(jù)內(nèi)耗隨頻率和振幅的依賴關(guān)系，可將內(nèi)耗分為以下三種： 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 圖 應(yīng)力 應(yīng)變回線示意圖 [2] a) 動(dòng)態(tài)滯后型內(nèi)耗 又稱為馳豫型（或滯彈性）內(nèi)耗，其顯著特點(diǎn)是內(nèi)耗與頻率和溫度有關(guān)，而與振幅無(wú)關(guān)。這是由于材料的滯彈性行為而造成，實(shí)際的固體材料在加載和卸載過(guò)程中，應(yīng)變通過(guò)馳豫過(guò)程達(dá)到其平衡位置。物體出現(xiàn)滯彈性現(xiàn)象是由于外加應(yīng)力改變了物體內(nèi)部的某種平衡狀態(tài)。 b) 靜態(tài)滯后型內(nèi)耗 該類型內(nèi)耗的特點(diǎn)是內(nèi)耗與振幅有關(guān)，而與振動(dòng)頻率無(wú)關(guān)。這是由于材料的形變過(guò)程中，應(yīng)力和應(yīng)變不是單值函數(shù)造成。完全卸載后，材料會(huì)有永久變形殘留，需要反向加載才能消除殘留變形。 c) 阻尼共振型內(nèi)耗 該種內(nèi)耗與動(dòng)態(tài)型內(nèi)耗相似，與動(dòng)態(tài)型內(nèi)耗的最大區(qū)別是，動(dòng)態(tài)型內(nèi)耗對(duì)溫度很敏感，而阻尼共振型內(nèi)耗對(duì)溫度的依賴關(guān)系很小。 阻尼合金的分類 現(xiàn)在阻尼合金種類繁多，有著不同的應(yīng)用。按其成分可分為： Fe 基阻尼合金、 Mn 基阻尼合金、 Mg 基阻尼合金等，按其阻尼機(jī)制又可分為：鐵磁型阻尼合金、孿晶型阻尼合金、位錯(cuò)型阻尼合金、馬氏體型阻尼合金 等。還應(yīng)指出，各種阻尼合金的阻尼機(jī)制并不是唯一的，往往是多種阻尼機(jī)制共同作用，各類四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 金屬存在最主要機(jī)制。常見(jiàn)的阻尼合金及其類別見(jiàn) 表 。 表 常見(jiàn)阻尼合金及其分類 [1, 3] 合金系列 阻尼機(jī)制 合金 主要成分 典型合金 Co 系 鐵磁型 CoNi (NIVCO10) Fe 系 FeCr Fe12Cr2Al (Silentalloy) Fe12Cr3Mo (Gentalloy) 界面型 /位錯(cuò)型 FeMn Fe19Mn[4] 復(fù)合型 Fe、 C 灰鑄鐵 ZnAl 系 ZnAl 22Al78Zn Mn 系 孿晶界面型 MnCu Mn37Cu4Al3Fe2Ni (Sonoston) Cu(4048)Mn2Al (Incramute) Mn20Cu5Ni2Fe (M2052)[5] MnNi/Fe Mn17Ni[6] Fe80Mn5Cu[7] NiTi系 NiTi Ni50Ti (Nitinol) Cu 系 CuZnAl Cu(1321)Zn(38)Al (Proteus) Mg系 位錯(cuò)型 MgZr (K1X1) [8] 上述的各類阻尼合金各有其優(yōu)點(diǎn)，適用于不同的工況環(huán)境。例如，鐵磁型阻尼合金對(duì)小應(yīng)變很敏感，在較小的振幅下就能獲得較高的阻尼性能，但是隨著振幅繼續(xù)增大，阻尼性能顯著下降，并且該類合金對(duì)形變和外加磁場(chǎng)很敏感。Mg 基阻尼合金屬于位錯(cuò)型阻尼合金，該類合金最大的特點(diǎn)是密度小，適用于航空航天領(lǐng)域，但這種合金的力學(xué)強(qiáng)度一般不高。 FeMn 阻尼合金的力學(xué)性能高，但是該類合金要在較大應(yīng)變下才能發(fā)揮其減振降噪效果，并且這種合金耐蝕性能較差。 MnCu 阻尼合金屬于孿晶界面型阻尼合金，該類合金經(jīng)過(guò)合金化等手段后能較好的兼顧阻尼性能和力學(xué)性能，但是該類合金的阻尼性能對(duì)溫度四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 敏感，當(dāng)溫度高于 Ms 點(diǎn)后合金的阻尼性能顯著下降。 在對(duì)阻尼合金進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)阻尼合金的阻尼性能與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能（特別是強(qiáng)度）相對(duì)立。具有高的阻尼性能但其力學(xué)性能低，如 Mg 及其合金等；具有高的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能但阻尼性能差，如不銹鋼等。這一矛盾的存在限制了阻尼合金在工程上的應(yīng)用。如 圖 所示為各合金的阻尼性能與力學(xué)性能之間的關(guān)系。 圖 各種合金的力學(xué)性能與阻尼性能關(guān)系 [5] 從上面可以看出，各類阻尼合金各有優(yōu)勢(shì)，在選擇阻尼合金時(shí)應(yīng)針對(duì)具體的工況環(huán)境和要求來(lái)選取。 合金阻尼性能的表征及測(cè)試方法 阻尼性能的表征 材料的阻尼特性通常用阻尼性能 (damping capacity)來(lái)度量，它指材料消耗外界機(jī)械振動(dòng)能的能力。內(nèi)耗的量度法有多種，常根據(jù)測(cè)量方法或振動(dòng)情況的四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 不同而選用不同的量度方法，各個(gè)性能參數(shù)間有一定的關(guān)系，可以互相轉(zhuǎn)換。內(nèi)耗測(cè)量方法概括起來(lái) 可分為以下 五種 [9]： 當(dāng)合金 內(nèi)耗較小時(shí)，可用共振法 對(duì)合金的性能進(jìn)行測(cè)量 ， 該方法分為兩種：一是強(qiáng)迫振動(dòng)， 從共振曲線的半寬度求得內(nèi)耗 ，以品質(zhì)因子的倒數(shù) Q1來(lái)度量 ； 另一種為 在自由衰減的情形下， 以對(duì)數(shù)衰減率進(jìn)行度量 。 品質(zhì)因子的倒數(shù) Q1 [10]： rffQ 31 ??? (11) 式中， Δf 是共振振幅一半處的頻率差值 f2f1， fr 是共振頻率。共振峰的寬度表征了材料阻尼能力的大?。ㄒ?jiàn) 圖 ）。 對(duì)數(shù)衰減率 (logarithmic decrement) δ[10]：當(dāng)振動(dòng)激發(fā)到一恒定振幅后，即停止激發(fā)，讓其自由振動(dòng)，由于振動(dòng)能的消耗，振幅逐漸減?。ㄒ?jiàn) 圖 ）。因此δ 定義為： niiAAn?? ln1? (12) 式中， Ai 和 Ai+n 分別表示在自由振動(dòng)下第 i 次和第 (i+n)次的振幅的大小。 圖 試樣在強(qiáng)迫振動(dòng)中的共振峰示意圖 圖 材料的自由振動(dòng)衰減曲線 當(dāng) 內(nèi)耗較大 并且 振動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的共振頻率 時(shí) ， 可采用 強(qiáng)迫振動(dòng)法測(cè)量應(yīng)變落后于應(yīng)力的相角 θ[10]。 此時(shí)有如下定義式： 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 2?????? (13) 式中 η 為應(yīng)變波滯后應(yīng)力波的時(shí)間， T 為振動(dòng)周期。材料的阻尼 本領(lǐng)越大 ，則 相位差角越大，其 tanθ 也越大，因此可用相位差角及其正切來(lái)表征材料阻尼能力的大小 （見(jiàn) 圖 ） 。 圖 材料在周期應(yīng)力作用下的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 在外加應(yīng)力（或應(yīng)變振幅）較大時(shí)，可直接由滯后回線測(cè) 定 ΔW/W。 比阻尼系數(shù) (SDC:Specific Damping Capacity)[3, 10]，或減振系數(shù) ψ， 以振動(dòng)的物體在一個(gè)周期內(nèi)的振動(dòng)能量損失率 ΔW/W 來(lái) 定義，用下式表示： %100%100( % ) 2 2 12 ??????? ?n nn A AAWWSD C ? (14) 式中， W 為振動(dòng)能量， ΔW 為一個(gè)周期 內(nèi)損失的振動(dòng)能量。 An 和 An+1分別為第 n 次和第 (n+1)次的振幅的大小。 當(dāng) 振動(dòng)頻率較高（ 1MHz 以上） 時(shí) ， 可從 應(yīng)力波在試樣中傳播時(shí)的衰減系數(shù) 來(lái)表征材料 內(nèi)耗（超聲衰減）。 衰減系數(shù) α[11](attenuation coefficient)，在采用超聲波激發(fā)振動(dòng)時(shí)，內(nèi)耗可用穿過(guò)材料的脈沖聲波的衰減來(lái)測(cè)量，其定義為： ? ?? ? ? ?cmxA xAxx 奈培2112 ln1??? (15) 它表示經(jīng)過(guò)單位距離振動(dòng)振幅的對(duì)數(shù)衰減量，因此有 1??? Q???? (16) 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 ? 為聲波波長(zhǎng)。 在有的情況下，例如線性內(nèi)耗或滯彈性內(nèi)耗，在靜力試驗(yàn)中所得的數(shù)據(jù)可以與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中所得的數(shù)據(jù)相互換算，因而可用靜力試驗(yàn)的方法求得內(nèi)耗。關(guān)于非線性內(nèi)耗與靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相互換算問(wèn)題，還有待進(jìn)一步研究。 上述各表征參量之間在一定的關(guān)系下可以互換。當(dāng)阻尼性能較低，如tanθ，通?？梢杂?tanθ， Q1或 δ 來(lái)表征材料的阻尼性能，他們之間的關(guān)系： 1 ta nQ ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? (17) 當(dāng)阻尼性能較大時(shí)，如 SDC40%，通常用 SDC 來(lái)表征材料的阻尼性能，此時(shí)： ? ??? 2121 ??? eS D C (18) 阻尼性能測(cè)試方法 金屬內(nèi)耗的研究離不開(kāi)合適的測(cè)試設(shè)備及方法。自上世紀(jì) 40 年代我國(guó)金屬內(nèi)耗研究領(lǐng)域的先驅(qū) —— 葛庭燧先生發(fā)明了扭擺儀后，金屬低頻內(nèi)耗的研究進(jìn)入了快速發(fā)展階段 [12]，我國(guó)也相繼建立了金屬阻尼材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) [13]。隨著科技的不斷發(fā)展，在此基礎(chǔ)上研究者們開(kāi)發(fā)出了不同類型的內(nèi)耗儀，測(cè)試精度不斷提高，測(cè)試范圍也不斷拓展。阻尼的測(cè)量應(yīng)根據(jù)應(yīng)用范圍的不同而選擇不同的測(cè)量方法，主要分為兩類：一類是偏重于材料的理論研究；另一類主要偏重于材料工程結(jié)構(gòu)件的阻尼性 能測(cè)量。本文主要介紹前面一種測(cè)試方法。應(yīng)用于材料阻尼性能研究的方法根據(jù)頻率范圍可分為兩類：共振法和亞共振法 [14]，而根據(jù)試樣的振動(dòng)狀態(tài)可分為：自由衰減法與強(qiáng)迫振動(dòng)法。 共振法 共振法即使試樣在共振頻率或附近做自由衰減振動(dòng)，以此來(lái)測(cè)量材料的阻尼性能。主要包括扭擺法和共振棒法。 扭擺法（ torsion pendulum method) 該方法主要分為三種：正扭擺法，倒扭擺法和 Collette 扭擺法 [14]。第一種方法采用絲狀或片狀試樣，上端用夾頭固定懸掛，下端附加一慣性臂，用電磁場(chǎng)對(duì)慣性臂進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，然后在其自由擺動(dòng)過(guò)程中采集記錄偏轉(zhuǎn)振幅，用式 (12)四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 可以計(jì)算出阻尼性能。該方法適用于低頻范圍的測(cè)量， 但這種裝置的背景內(nèi)耗較大，約為 104數(shù)量級(jí)，故不能測(cè)量更小的內(nèi)耗，并且該裝置由于縱向拉力的影響，在高溫下試樣易產(chǎn)生蠕變。因此實(shí)際測(cè)量時(shí)通常采用倒置扭擺儀。該裝置中慣性臂被置于試樣的上方，并用平衡物來(lái)平衡慣性臂的重量。這種方法適用的頻率范圍為 ~20Hz，振幅范圍 107~104。 Collette 扭擺法主要用于低應(yīng)變振幅 (107~106)下較大橫截面積樣品的內(nèi)耗測(cè)量。 共振棒法（ resonance bar method) 又稱為自由棒法 （ freefree bars） [14]或彎曲共振法。 試樣通常為棒材或條狀試樣，在其振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置通過(guò)刀口或細(xì)絲夾持，不附加慣性元件。該方法可測(cè)量多種模式下（縱向、扭轉(zhuǎn)和彎曲）材料的阻尼性能。測(cè)量時(shí)將試樣激發(fā)至共振狀態(tài)，此時(shí)試樣的阻尼性能可用自由衰減法測(cè)量（彎曲模式適用）或用共振峰的半高頻寬表示。在后一種情況中阻尼性能用式 (11)求得。對(duì)共振棒法在超聲頻率范圍推廣發(fā)展了 超聲脈沖法 (ultrasonic pulse method) ，又稱為復(fù)合震蕩器法 (posite oscillator)[1]，將試樣薄片粘貼到熔石英上（置于加熱爐中），利用壓電晶片在試樣一端產(chǎn)生超聲短脈沖，然后用接收器測(cè)量其穿過(guò)試樣到達(dá) 另一端的晶片或反射回到原激發(fā)晶片的脈沖振幅在試樣中的衰減，及測(cè)出逐次反射后的脈沖振幅，利用式 (15)和式 (16)計(jì)算 阻尼性能。通常在自由振動(dòng)衰減、恒定振幅和共振峰頻率等條件下進(jìn)行。這一方法測(cè)量小內(nèi)耗不夠靈敏，但對(duì)樣品的尺寸要求不嚴(yán)格，故可用于測(cè)量結(jié)構(gòu)件的內(nèi)耗。 亞共振法 所謂亞共振法即將試樣在較低的頻率下振動(dòng)試樣，以此消除慣性力的影響。該方法可直接通過(guò)測(cè)量復(fù)合應(yīng)力應(yīng)變斜率來(lái)獲得動(dòng)態(tài)彈性模量。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能在非常寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)量試樣的內(nèi)耗，主要有 DMA 和亞共振扭擺儀。 在 DMA 儀中，設(shè)備施加一個(gè)正弦交變的力，試樣在該力下做強(qiáng)迫振動(dòng)，其應(yīng)變也是一正弦波，但是會(huì)滯后正弦力，如 圖 所示。利用傅里葉分析技術(shù)通過(guò)式 (13)可計(jì)算出材料的阻尼性能。該設(shè)備可以以掃頻模式、溫度模式和應(yīng)變幅度模式來(lái)測(cè)量材料的阻尼性能，通常測(cè)試頻率范圍可達(dá) ，測(cè)試溫度范圍可達(dá) 70℃ ~600℃，可以測(cè)量很大模量范圍的材料 (103106MPa)，該四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 設(shè)備的最大特點(diǎn)是可以有多種變形模式：三點(diǎn)彎曲、單（雙）懸臂、壓縮、剪切和交變拉伸等。 DMA 廣泛應(yīng)用于 高分子材料測(cè)試，現(xiàn)也廣泛被應(yīng)用于金屬材料的測(cè)試。 目前 DMA 儀器有兩類：一類是由美國(guó)的 Du Pont 儀器公司開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀 (DMA)系列。該儀器采用單懸臂法測(cè)阻尼性能，測(cè)量的溫度范圍 150℃~150℃，頻率范圍 2~85Hz，振幅 ~，加熱速率 ~50℃ /min。另一類是動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀 (DMTA)系列。該儀器可運(yùn)用單、雙懸臂法和三點(diǎn)彎曲法測(cè)材料的阻尼性能，測(cè)量的溫度范圍為 150℃ ~500℃，頻率 106~200Hz，阻尼敏感度 104，阻尼分辨率 105。 各種測(cè)量方法的測(cè)量精度和適用測(cè)量范圍并不相同，實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)試樣的狀況來(lái)選擇測(cè)量方法。 MnCu 高阻尼合金國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 MnCu合金體