阻尼性能及阻尼机理综述

1阻尼性能及阻尼机理前言机械构件受到外界激励后将产生振动和噪声；宽频带随机激振引起结构的多共振峰响应，可以使电子器件失效，仪器仪表失灵，严重时甚至造成灾难性后果。目前，武器装备和飞行器的发展趋向高速化和大功率化，因而振动和噪声带来的问题尤为突出[1]。振动也会影响机床的加工精度和表面粗糙度，加速结构的疲劳损坏和失效，缩短机器寿命；另外振动还可以造成桥梁共振断裂，产生噪声，造成环境污染[2]。由此可见，减振降噪在工程结构、机械、建筑、汽车，特别是在航空航天和其他军事领域具有及其重要的意义。阻尼技术是阻尼减振降噪技术的简称。通常把系统耗损振动能或声能的能力称为阻尼，阻尼越大，输入系统的能量则能在较短时间内耗损完毕。因而系统从受激振动到重新静止所经历的时间过程就越短，所以阻尼能力还可理解为系统受激后迅速恢复到受激前状态的一种能力。由于阻尼表现为能量的内耗吸收，因此阻尼材料与技术是控制结构共振和噪声的最有效的方法[1]。研究阻尼的基本方法有三大类[1~3]：（1）系统阻尼。就是在系统中设置专用阻尼减振器，如减振弹簧，冲击阻尼器，磁电涡流装置，可控晶体阻尼等。（2）结构阻尼。在系统的某一振动结构上附加材料或形成附加结构，增大系统自身的阻尼能力，这类方法包括接合面、库伦摩擦阻尼、泵动阻尼和复合结构阻尼。（3）材料阻尼。是依靠材料本身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目的。它包括粘弹性材料阻尼、阻尼合金和复合材料阻尼。本文主要论述阻尼材料的表征方法，阻尼分类，阻尼测试方法，各种阻尼机理，高阻尼合金及其复合材料，高阻尼金属材料最新研究进展，高阻尼金属材料发展中存在的问题及发展方向，高阻尼金属的应用等内容。第一章内耗（阻尼）机理1.1、内耗（阻尼）的定义振动着的物体，即使与外界完全隔绝，其机械振动也会逐渐衰减下来。这种使机械能量耗散变为热能的现象，叫做内耗，即固体在振动当中由于内部的原因而引起的能量消耗。在英文文献中通用“internalfriction”表示内耗。另外，在工程上用“阻尼本领”（dampingcapacity），对于高频振动则称为“超声衰减”（ultrasonicattenuation），其实与内耗一样都是表征同一个物理过程[4]。产生内耗（阻尼）的原因是固体内部的结构特点和结构缺陷，因而通过内耗（阻尼）测量可以灵敏地反映固体内部结构的特点以及各种结构缺陷的运动变化和交互作用的情况[5]。由此可见，内耗是一种很好的研究晶界的工具，它能够在不破坏试样的情况下，查知材料中晶界的动态性质。内耗与静态观测手段相配合，可以加深对晶界性质及其动力学行为的认识[4]。总的来说，我们可以认为驰豫、后效是非弹性在静态过程中的表现，而阻尼、内耗则是非弹性2在动态过程中的表现.比较起来，非弹性对振动过程的影响更为重要，故人们往往以对内耗（阻尼）的实验研究来代替对非弹性的实验研究[6]。1.2、阻尼性能的描述及表征1.2.1阻尼和应力应变的关系根据弹性理论中的虎克定律，材料在弹性变形过程中应力与应变之间满足如下关系：σ=Mε(1-1)其中M代表弹性模量E或剪切摸量G。上述公式的成立应满足三个条件[7]，即：应变对应力的响应是线性的；应力和应变相位相同；应变是应力的单值函数。但实际加载过程中，应力与应变之间往往不能同时满足上述三个条件，即非理想弹性；此时将产生阻尼，非弹性常表现为滞弹性和粘弹性，滞弹性根据应力应变之间是否满足线性关系分为线性和非线性滞弹性，因此阻尼也可分为线性和非线性滞弹性阻尼及粘弹性阻尼[5]，如图1-1所示。当材料受循环载荷作用时，应力应变之间的实际关系如下[8、9]：σ=σ0exp(iωt)(1-2)ε=ε0expi(ωt-φ)(1-3)φ=τ/T×2π(1-4)其中σ0和ε0为应力和应变的振幅；t为时间；τ为应变波形滞后应力波形的时间；ω为振动的角频率，φ为应变滞后应力的相位角差；T振动周期，图1-2所示。根据复模量定义[3]：(1-5)(1-6)其中η为粘弹性阻尼材料的损耗因子（又称损耗正切或阻尼系数），它是衡量阻尼材料耗散振动能量的主要指标之一，它与每周振动所损耗的能量与储存能量之比成正比。表示为(1-7)式中E*——复拉伸模量；E′——复拉伸模量的实部，也称为贮能拉伸模量，表示为E′=Ecosφ(1-8)E——复拉伸模量的虚部，它决定阻尼材料受到拉压变形时转变成热的能量损耗，所以又称为)sin(cos00iEeEia)1(''iEiEEEtg‘“EE图1-1应力－应变回线[8]图1-2在周期应力作用下的应力－应变关系[8]3耗能拉伸模量，表示为E=Esinφ=ηE′(1-9)1.2.2常见的用于表征材料阻尼性能的参数及它们之间的关系如下：（1）损耗系数η、损耗正切tanφ和损失角φ损耗系数为损失摸量与存储摸量之比，其与损耗正切和损失角的关系如下：(1-10)材料的阻尼能力越高,相位差角越大,因此可用相位差角φ来表征材料阻尼能力的大小在实际应用中,如果内耗很小,则相位差角的测量是很困难的,因此该法适用于内耗较大的情形[8]，。(2)比阻尼(S.D.C或ψ)[10]材料受循环载荷，应变落后于应力，在应力与应变曲线上形成一个滞后圈，如图1-1所示。振动循环一周中，损失能量ΔW为：(1-11)存储的最大能量W为：(1-12)在高阻尼合金的研究中，习惯采用△W/W来衡量内耗的大小，称为“比阻尼性能”S.D.C；而物理上为了与阻尼的电磁回路相对应，常采用Q-1来表示阻尼，这里Q时振动系统的品质因子。类似于电磁回路中品质因子的定义(1-13)(3)对数衰减率δ[4]材料在自由振动过程中，其振动幅度将逐渐衰减，如图1-3所示。衰减得越快，表明材料的阻尼能力越高，材料的阻尼性能与相邻两振幅间有如下关系(1-14)进一步推导可知：(1-15)（这适用于内耗很小时，即）或时），内耗值为(1-16)式中，δ为对数衰减率；An、An+1分别为第n次、第n+1次振动时的振幅，n为振动次数(n=1，2，3，…)。由此可见，对数衰减率表征了振幅的衰减程度，它的值越大，则振幅衰减越大，阻尼性能越高。此方法属于共振法的一种，适于测试声频阻尼[8]。WWQ2112ln2..121212nnnnnAAAAAWWCDS21nnAA69.0ln1nnAA1211WWQtan＇〃EE4(4)品质因子倒数Q-1用不同频率的外力来激发试样,当外加应力的频率等于试样的共振频率时,则试样振动的振幅最大,如图1-4所示。在同样的情况下,材料阻尼性能越高,则共振振幅越小,共振峰越宽,因此可用共振峰的尖锐程度来表征材料阻尼能力的大小,即材料的阻尼与振动振幅为共振振幅一半时所对应的频率差值和共振频率有下列关系[8]:(1-17)式中Q-1为品质因子的倒数；Δf为共振振幅一半处频率差值f2-f1(Hz)；fr为共振频率值(Hz)。当内耗较小时,共振峰很尖锐,则共振峰宽不易测试；内耗越大，共振峰越宽，测量越准。此方法与对数衰减率一样，适于测试声频阻尼[8]。（5）超声衰减[11]在兆频范围内常用脉冲法激发振动，内耗使用穿过材料的脉冲声波的衰减来测量，衰减系数β定义为（1-18）因此δ可用下式表示：（1-19）λ为声波波长，则(1-20)1.3、内耗（阻尼）量度值的换算及测量方法选择对衰减较小的场合，tanφ0.1,通常用tanφ、Q-1或η来表征材料的阻尼性能，它们之间存在如下关系[12]：Q-1=φ=tanφ=η=δ/π=S.D.C/(2π)(1-21)但是,当阻尼较大时(Q-1≥10-2)则有两种观点:一种精确表达式为[12](1-22)根据式(1-22)，当Q-1=10-2时，(1-21)式的误差约0.5%；当Q-1=10-1时，(1-21)式的误差5%左右[12]。图1-3振动的自由衰减曲线[8]图1-4强迫振动中的共振峰[8]5另一观点由朱贤方[13]和水嘉鹏[14、15]等提出(1-23)根据(1-23)式,当Q-1=5×10-3时,(1-21)式的误差达到1%,当Q-1=10-1时,(1-21)式的误差在50%以上[12]。两种论点在这一基础问题上存在这么大的偏差,迫切需要澄清。1.4内耗（阻尼）分类和特点内耗产生的原因归纳起来有三种类型即滞弹性内耗、静滞后内耗和阻尼共振型内耗。1.4.1滞弹性内耗1948年，Zener提出了滞弹性这一名词，他从Boltzmann的线性叠加原理出发，推导出各种滞弹性效应之间的定量关系[17]。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，而是通过一种驰豫过程来完成其变化。如图1-5（a），应力去除后应变有一部分（ε0）发生瞬时回复，剩余一部分则缓慢回到零，这种现象叫弹性后效。又如图1-5（b），要保持应变不变，应力就要逐渐松弛达到平衡值σ（∞），称为应力驰豫现象。由于应变落后于应力，在适当的频率的振动应力作用下就会出现内耗。在此基础上产生的内耗称为动滞后型内耗或驰豫型内耗[11]。对于金属，其内耗表达式[16、17]（1-24）式中，ω、τ分别为振动角频率、驰豫时间；M为动力模量（动态模量），即实测的弹性模量；MR为驰豫模量；Mu为未驰豫模量；驰豫强度。模量亏损[16]为(1-25)其内耗于ωτ的关系曲线如图1-6所示。当ωτ1及ωτ1时，内耗值都很小；只有当ωτ=1时，内耗达到最大值。因此滞弹性内耗有一下特征：内耗与频率有关而与振幅无关。)1(2121eQ2222111MRuMMMQ)(MMMRuM22221111MRuuMMMMMMMM图1-5（a）恒应力下的应变驰豫和（b）恒应变下的应力驰豫过程示意图[10]61.4.2静滞后型内耗[9、10]在低振动频率下，应力与应变存在多值函数关系，即在加载和去载时同以载荷下具有不同的应变值。完全去掉载荷后有永久变形存在。仅当反向加载时，才能回复的零应变，如图1-7.这种原因产生的内耗时静滞后型的。由于静态滞后的各种机制之间没有类似的应力应变方程，所以不能像滞弹性内耗那样进行简单明了的数学处理，而必须针对具体的内耗机制进行计算，可先求出回线面积ΔW，再从内耗定义式求内耗。一般来说，静滞后回线的面积与振幅不存在线性关系，因此内耗的特征式内耗与频率无关，而与振幅有很强的依赖关系，内耗在某一振幅处达到最大值。1.4.3阻尼共振型内耗由非弹性应变产生的阻尼，即为阻尼共振型内耗。阻尼共振型内耗的特征是与频率的关系极大，而与振幅无关，内耗峰所对应的频率一般对温度不敏感。研究表明，这种内耗很可能是由于振动固体中存在阻尼共振现象引起的能量损耗，阻尼强迫振动方程可用微分方程来描述[9]：（1-26）式中ξ为偏离平衡位置的位移；A为振子的有效质量；A为惯性力；B为阻尼系数B为通常假定的阻尼力（粘滞阻尼）；C（ξ）为回复力（一般与位移成正比）；为作用在振子撒还能够的外加振动力。位错在交变应力作用下做强迫振动，依照理论上的推导可以求得与振幅无关的内耗[9]：（1-27）式中Ω为考虑到滑移面上分解切应力小于外加纵向应力而引入的取向因子；Λ为位错密度；ω为振动频率；为谐振频率；d=B/A表示位错弦振动时的阻尼情况。对于高频内耗，如果阻尼系数B很小，即ω0/d1的情况，在ω=ω0处出现陡峭的尖峰，具有共振的特征，此时阻尼对振子所做的功（即内耗）最大；如果阻尼系数B很大，即ω0/d1，的情况在ω=处出现一系列平缓的峰，具有驰豫特征[9]。这样，阻尼共振型内耗和滞弹性型内耗好像都与振幅无关，而与频率有极大关系，但他们在温度上反映处很大差异。因为大多数驰豫过程的驰豫时间对温度都很敏感，温度略有改变，内耗峰对应的额频率就有很大的改变；而共振型中的固有频率，一般对温度不敏感，因此，内耗峰的闻之随WW·211QtieFCtBtA022)(22tt222