10第十讲-阻尼复合材料解析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 阻尼复合材料,a-,减振材料；,b-,防振材料；,c-,吸音材料；,d-,隔音材料。,阻尼材料：具有构造材料应有的强度并能通过阻尼过程内耗把振动能较快的转变为热能消耗掉的合金等。,内耗和阻尼：固体对振动的衰减，是弹性波与固体内的各种缺陷点、线、面或声子、电子、磁子等元激发的相互作用，而使机械能消耗的现象，是一种力学损耗。,应力-应变曲线。,(a)抱负弹性体；(b)实际固体,对于实际固体，应力和应变可表示为：,E,为杨氏模量,为相角差,振动系统的品质因子,Q,的倒数表示,内耗,：,单位体积的振动能：,每周的能量相对损失为：,应力在一个周期内在材料中的能量损耗：,在金属学中常用内耗Q-1)或对数衰减率:前后相邻两次振幅比值的自然对数表示。,减振系数SDC损失系数：振动物体内振动能转变为热能而损失的比率，既振动一周振动能的损失率。,具有如下近似关系：,动滞后型,(,弛豫型,),内耗,材料的滞弹性,(anelasticity),引起，在加载或去载时应变不是瞬时到达平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成这种变化。,滞弹性体的应变与时间的关系,当频率很高时，振动周期远小于弛豫时间，即弛豫量很小，在一个周期内几乎不发生弛豫，物体的行为接近完全弹性，内耗很小；,当应变弛豫不能跟上应力变化，此时应力应变曲线为一椭圆，椭圆面积正比于内耗。,振动周期很长时，振动周期远大于弛豫时间，弛豫在一周期内早已完成，每一瞬时应变都接近平衡值，应变为应力的单值函数，不产生内耗；,由于应力和应变间存在着多值函数的关系。在同一载荷下，在加载过程中和去加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，要想把这局部剩余应变去除就需在相反方向加确定载荷。,静滞后型内耗,回线的面积与加载频率无关，和振幅有关,静滞后下的应力应变回线,阻尼共振型内耗：,减振系数对共振曲线和自由衰减曲线的影响,当材料施加应力后，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。,k,为弹性模量，,为粘滞系数，,m,为振动体的质量，,=,/2m,为阻尼系数，固有频率,0,=(k/m),1/2,减振机制,复相减振材料，在强韧的基体中，如有软的其次相析出，则在基体和其次相的界面上，简洁发生塑性流淌或粘性流淌，外界的振动或声波可以在这些流淌中消耗。,例：片状石墨铸铁灰口铁，通过铸铁内石墨的粘性和塑性变形而产生减振效应。动滞后机制,铁基阻尼合金静滞后型,铁磁材料内的磁畴由于各自的自发磁矩方向不同，在外力作用下会发生消、长和磁滞伸缩，并且各磁畴相互连接，在各自伸缩运动时相互牵制，从而产生不行逆的畸变。,各磁畴的消长引起微区域的磁化向量转变，由此产生涡流，引起能量消耗。,一般铁基合金阻尼力气很小。中碳钢SDC只有1%，低碳钢为4%,对Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-Co、Fe-W系合金成分合理匹配，可以提高阻尼力气,1100,回火后,Fe-Cr,基合金的力学性能和阻尼性能,影响铁基合金阻尼性能的因素,碳、氮、氧间隙原子阻碍畴壁的运动，损害阻尼性能。质量分数，碳：0.007%；氮：0.0012%；氧0.021%,在热处理工艺上，一般退火温度越高，冷却速度越慢，阻尼性能越好。高的退火温度，可获得大的晶粒；慢的冷却速度，可削减内应力，这有利于畴壁的运动。,在微观组织上，以单相铁素体组织为佳。,冷变形后，合金内部内应力增大，位错增多，阻碍畴壁的运动，而使合金阻尼力气下降。,铁基合金阻尼性能与外界条件的关系,应变振幅是影响铁基合金阻尼性能的最敏感因素之一。在阻尼力气-应变振幅关系曲线上，有一阻尼峰。,振动频率。当频率超过某个临界值Barkhausen跳动频率，约300kHz，阻尼性能会急剧恶化。超过此临界频率，畴壁的运动赶不上振动应力的变化，磁机械阻尼机制失效，阻尼力气急剧下降。在此临界值以下，频率对阻尼性能的影响不大。,工作温度。铁磁性在居里温度700左右消逝。,磁场。铁基高阻尼合金的高阻尼性能主要源于磁-机械滞后效应。当磁场强度大于矫顽力后，阻尼力气一般随磁场强度增大而削减；当合金磁化到饱和时，磁机械阻尼也就消逝。,净应力。对阻尼性能的影响倾向于与磁场相像。,交变应力。合金只有在小于某一平均应力条件下应用下才会有效。,位错型合金,位错阻尼的钉扎模型,a),被杂质钉扎的位错在应力下的脱离；,b),位错应力应变途径,在组织中有析出物或杂质原子，对位错有钉扎作用，在外力作用下位错线作不行逆的往复运动，产生静滞后型内耗。,这类合金具有最大的衰减系数，如铸造镁合金的衰减系数可达,60%,孪晶型,孪晶面在外应力下的易动性和弛豫过程，造成对振动能的吸取。,如Mn-12Cu合金经925时效几小时后水冷，在室温四周具有很高的内耗值，是由101和011孪晶面的应力感生运动引起的,孪晶金相组织,阻尼合金的特性,合金阻尼与强度的关系,各种材料的衰减系数的大小根本上与抗拉强度成反比倾向,各种金属材料的强度和减振系数,为减振系数与强度的乘积，常用于比较实际材料的减振性能。,外形记忆合金：,Mn-Cu,NiTi,Cu-Al-Ni,无声合金：,Fe-12Cr3Al,超塑性合金：,Mg-Zr,Mg,Al-Zn,阻尼性能与温度的关系,阻尼材料的阻尼机制不同，与温度的依靠关系也不同。,孪晶型合金：由于马矢体相变温度的限制，使其使用温度不超过,80,；而铁磁型合金具有很好的高温阻尼性能，在,380,以下，合金的阻尼性能不变。,阻尼特性与振幅的关系,复相型合金受振幅影响较小，孪晶型和位错型较大，铁磁型最大。,一般应变振幅越大，阻尼越大,阻尼特性与频率的关系,只与振动的振幅有关而与频率无关，静滞后型内耗，铁磁型，孪晶型，位错型,当内部微观构造的运动频率与外界振动频率全都时，内耗到达最大值，从而使内耗对频率有明显的依靠关系，如复相型合金,晶粒大小、晶界的敏化程度，微构造的体积百分数等冶金因素对合金的阻尼特性也有影响。阻尼特性将影响材料的使用寿命，所以需作为材料的根本特性加以考核。,典型减振合金的特点,片状石墨铸铁最早被使用的减振合金：本钱低和耐磨性好；强度和韧性较低。,孪晶型减振合金是热不稳定的热弹性马氏体合金：减振效果较好，受应变振幅影响较小，但温度特性差。,Mn-Cu系减振合金的强度、韧性、延展性和可切削性都很好，用铸造、粉末冶金法都可制造，简洁生产，且具有抗海水腐蚀性。长期应用时减振性能明显恶化。,尼态诺尔(NiTinol)的压力加工性能和切削性能不好，制造性能很差；但它的耐蚀性、耐磨损性、强度以及与生物体的相容性好。同时是一种优良的外形记忆合金。,镁系合金在强度、耐蚀性、压力加工性方面较差，但密度小,铁磁性型减振合金的减振系数受频率影响小，可使用的极限温度高，并且本钱低，压力加工性能、切削加工性能都很好，可铸造和用粉末冶金法制造，耐蚀性好，还可进展各种外表处理，长期使用后性能恶化不严峻，特性能保持长期稳定，应用较普遍,晶间腐蚀型合金利用裂纹外表的相互滑动摩擦而减振。,阻尼复合材料,阻尼复合材料是指具有把振动能吸取并转化成其他形式的能量而消耗，从而减小机械振动和降低噪声功能的一种复合材料。,阻尼原理：利用基体、填充体本身的阻尼特性以及界面摩擦阻尼进展减振降噪。基体内耗、增加体内耗、界面内耗,基体内耗：聚合物基体具有内部摩擦的阻尼特性。链状大分子的链段运动要抑制阻力，需要确定的时间，因此形变往往滞后于应力的变化，与频率和温度有关。,填充体内耗：阻尼复合材料中的填充体能起到增加材料的应变及损耗能量的力气。,片状填料能增加材料的内摩擦，颗粒状填料具有增加效应，限制分子长链相互转换过程中的运动，从而增加能量的转化，增加阻尼。,功能体本身具有阻尼功能。如压电粒子，利用压电粒子的压电效应，实现机械能-电能-热能的转变。,界面内耗：界面在外加应力的作用下发生相对的微滑移现象，从而消耗振动能量。而对于金属基复合材料在高温下界面阻尼将成为金属基复合材料的主要阻尼源。,金属基阻尼复合材料,具有通常单一材料所没有的综合特性，如高比强度、高比刚度、高阻尼性能、低膨胀系数等；通过将增加体或增阻体与合金复合，从而获得高阻尼、低密度、高比强度和比刚度的优良综合性能。,铝基复合材料与镁基复合材料为主。,增加体类型的影响,纤维、晶须、颗粒增加铝基复合材料中，颗粒增加复合材料具有更高的阻尼力气。,增加体含量的影响,SiCp/LY12复合材料与LY12铝合金的阻尼性能比较,SiC本身阻尼性能极低，阻尼性能的提升不是直接由碳化硅颗粒供给,SiC和铝基体的热膨胀系数相差较大，增加铝中位错密度。,颗粒增加，颗粒含量越多位错数量约多，位错阻尼和界面阻尼得到提高，阻尼性能越好。而纤维含量过高时，阻尼性能会下降。,(SiC)p/LY12,复合材料的阻尼,-,温度行为。,温度的影响,高温可使复合材料的阻尼性能显著增加：在高温下材料界面结合力下降，黏滞性耗能的阻尼效果渐渐表现出来，并成为材料阻尼特性的主要奉献。,振动频率的影响,金属,-,树脂复合材料,利用不同材料之间所组成的宏观构造产生耗能。,层压复合钢板,在两薄钢板之间，夹有,30-100,m,厚的黏弹性高聚物的夹层复合材料，钢板厚度为。复合材料既具有金属材料的强度又具有良好的阻尼特性。当钢板受振后，内部的高聚物阻尼材料在两层钢板中间产生位移现象与黏着现象，产生剪切形变，把机械能、声能转化为热能消耗。,选材原则：,在使用温度区具有较大的损耗因子，以保证良好的减振性能,对钢板具有好的润湿性，以保证较高的界面结合强度。,聚乙烯醇缩丁醛基聚合物作为夹层的层压减振钢板的损耗因子和温度的关系,乙烯,-,丙烯酸基聚合物为夹层的层压复合钢板的损耗因子与频率的关系。,