基本介紹
- 中文名：材料阻尼
- 外文名：material damping
- 別稱：內耗
- 本質：材料基本性質之一
- 作用：消耗機械振動能
簡介,研究與發展,起步階段,工程套用階段,獨立研究階段,測量方法,低頻扭擺法,共振棒法,複合振盪器法,材料阻尼機制,阻尼機制分類,基本阻尼機制,
簡介
材料阻尼在材料學中又稱內耗，是指材料在振動時由於材料的晶粒相互摩擦等內部原因引起的機械振動能量損耗的現象，通常用損耗因子或阻尼比來表示該材料的阻尼大小。材料阻尼特性與材料的內部組織和結構有關，在很大程度上受周圍環境如磁場、輻射等的影響，與溫度和振動頻率有很大關係。目前，還沒有比較完備的理論體系用於材料阻尼的計算。在工程實際中，通常是將材料製成標準元件來進行振動回響測試，根據回響數據計算出材料的阻尼。大量試驗數據表明，傳統測試方法的對比性低、重複性差，阻尼識別結果的精度遠比試件的固有頻率測試結果的識別精度低。
研究與發展
關於材料阻尼測試的研究早在1784年就已經開始，早期的阻尼技術研究大致經歷了三個階段：
起步階段
從1784年開始，Coulomb發現金屬發生振動時，其應力-應變曲線會表現出滯後現象，同時振動能量隨之消耗；到1837年，有人以扭擺為實驗對象，第一次對阻尼進行了定量的測量，使用的是自由衰減法。再到1850年，聲學領域也開始對阻尼振動進行系統的研究。隨後Rayleigh研究了粘彈性阻尼線性離散系統，給出其微分方程及其解，這些成果也被套用到聲學和連續介質力學當中。
工程套用階段
從1920年開始，機械工業大幅度發展，各種大型機械和車輛、飛機等結構設備所面臨的振動和噪聲問題到了無法忽視的地步，各種由於振動而產生的機器損壞、財產和人員損失的實例不勝枚舉，人們開始針對這些問題進行阻尼技術的工程研究。
獨立研究階段
從1940年開始，有關阻尼本質理論的著作開始出版；Zener在他的著作中就金屬阻尼振動中應力-應變曲線遲滯現象進行了研究，討論了這個過程中的能量消耗問題。在這一時期開始，有關阻尼的著作顯著多了起來，人們從各個方面對阻尼的本質及其套用開展工作，並終於形成一門橫跨多個科學領域的新技術，即阻尼技術。
現階段的阻尼技術已經日趨成熟，人們從阻尼的各種測試技術和識別算法，到通過材料阻尼、結構阻尼等提高系統阻尼的方法等各個方面開展了大量的研究。
測量方法
總的來說，任何物體在運動時都能產生阻尼，但是用材料阻尼和結構阻尼所標誌的阻尼特性存在巨大的差別。針對不同的阻尼測試對象，所使用的測試方法也大相逕庭。比如土木動力分析所使用的室內動三軸試驗、共振柱實驗、動單剪和扭剪實驗，以及針對金屬橡膠各向異性材料使用遲滯特性力學模型進行阻尼分析等。以下列舉了幾種材料阻尼的測量方法，並列出了其需要的參數及公式：
對數衰減率W： 
（1）
式中
,
分別為材料自由振動下在
,
時刻分別對應的第i和(i+n)周對應的振幅。
損失角正切tgO：
（2）
式中Z為損失係數，k為材料試樣的幾何係數，E″,E′分別為其強迫振動下的損失模量和動態模量。
對衰減能較小的場合，例如tgO<0.1，通常用tgO，Q-1或W來表征材料的阻尼性能，它們之間可以互換，即存在： 
（3）
低頻扭擺法
低頻扭擺法（The low-frequency pendulum technique）是由我國葛庭燧於40年代首先建立的，又稱為葛氏扭擺法。這種方法採用絲狀（直徑0.5～1.5mm，長100mm）或片狀試樣，在自由振動下，通過測量振幅衰減譜，運用式（1）和式（3）獲得試樣的阻尼性能。為了減小軸向拉力的影響（因在高溫下絲材試樣容易產生蠕變現象），實際測量時通常採用倒置扭擺儀。這種方法適用的頻率範圍為0.5～20Hz，振幅範圍10-7～10-4。
共振棒法
共振棒法（resonant-bar techniques）包括單懸臂彎曲或雙懸臂彎曲法，三點彎曲法，縱向法和扭轉法等。其中，常用的有單、雙懸臂彎曲法和三點彎曲法。單懸臂彎曲法適用於較軟的材料（彈性模量E<1010Pa），而雙懸臂彎曲法和三點彎曲法適用於較硬的材料（E>1010Pa）。在強迫振動下，這些方法通過測量應變與應力之間存在的相位差O，運用式（2）測量材料的阻尼性能，並可同時給出材料試樣的 E″，E′和tgO。至於縱向法和扭轉法，它們運用式（1）和式（3）測量材料的阻尼性能，其測量頻率可達40kHz。
圖1.雙懸臂測材料阻尼誤差實驗目前推出的共振棒法測材料阻尼性能的儀器有兩類：一類是由美國的Du Pont儀器公司開發的動態力學分析儀（DMA）系列。該儀器採用單懸臂法測阻尼性能，測量的溫度範圍-150～150℃，頻率範圍2～85Hz，振幅0.1～1.0mm，加熱速率0.1～50℃/min。另一類是動態力學熱分析儀（DMTA）系列。 該類儀器最初由英國樹脂實驗有限公司研製，後來由美國流變測量科技有限公司推出，目前已發展到DMTA IV型。該儀器可運用單、雙懸臂法和三點彎曲法測材料的阻尼性能，測量的溫度範圍為室溫至500℃或-150～500℃（當用液氮冷卻時），頻率1.6×10-6～200Hz，阻尼敏感度10-4，阻尼解析度10-5。運用這種儀器，可以很方便地獲得tgO的頻率譜、溫度譜和振幅譜，並可同時改變頻率和溫度，從而模擬材料的工作狀態。
圖2.DMTA動態熱機械分析儀示意圖複合振盪器法
複合振盪器法（composite oscillator）又稱為超音波脈衝法，實質上是共振棒法中的縱向法、扭轉法在超聲頻率的推廣。待測試樣（典型尺寸65mm×3mm×3mm）貼上到熔石英上（置於加熱爐中），再先後通過其石英晶體側貼上到第二探測石英晶體上和第三驅動石英晶體上，組成一個四元複合振盪器。通過貼上在驅動和探測晶體上的電極導線來施加驅動信號和獲取採集信號。阻尼性能運用式（1）來測量，通常在自由振動衰減、恆定振幅和共振峰頻率等條件下進行。該法適用的頻率範圍為30～200kHz。
材料阻尼機制
阻尼機制分類
根據阻尼譜的特徵，材料阻尼機制大體可分為四大類型：動滯後型，靜滯後型，共振型和相變機制型。動滯後型阻尼，又稱為弛豫型或滯彈性阻尼，其特點是阻尼性能與振幅（e或X）無關，而與頻率f、溫度T有關。靜滯後型阻尼，其特點是阻尼性能與振幅有關，而與頻率、溫度無關。共振型阻尼與動滯後型阻尼相似，但材料的固有頻率隨溫度的變化較小。相變機制型阻尼指材料發生相變時，其阻尼性能明顯改善，其特點是阻尼性能與振幅無關，而與T/f（T為加熱或冷卻速率）成正比。
基本阻尼機制
基本阻尼機制一共有6種，分別如下所示：
（1）熱彈性阻尼：Zener首次分析了熱彈性阻尼機制。當材料處於不均勻變形時，如採用DMTA儀測試材料的阻尼性能，試樣動態彎曲導致其壓縮側被加熱，而拉伸側被冷卻。這樣，當這種應力感生的熱梯度引起不可逆的熱量穿過試樣時出現的應力鬆弛和熱量耗散。
（2）位錯阻尼：位錯阻尼可用Koehler-Granato-Lucke模型來解釋。外界振動引起位錯移動，發生從弱釘扎點（如溶質原子、 空位等）上出現雪崩式脫釘，然後在強釘扎點（位錯網節點、沉澱相等）周圍形成位錯環，由此引起應力鬆弛和機械振動能的消耗。
（3）晶界阻尼：Zener[14]認為晶界具有粘性，並且在切應力的作用下產生弛豫現象，從而引起晶界阻尼。1947年，葛庭燧發現多晶鋁比單晶鋁具有更高的阻尼性能，並且在200℃左右時在Q-1-T譜上還出現了一個阻尼（內耗）峰（被稱為葛（
）峰）。他認為這一阻尼峰來源於晶界的滯彈性力學弛豫或粘滯性滑動。後來，葛庭燧在竹節晶鋁中也發現了類似的阻尼（內耗）峰，被稱為BB峰。 該峰被認為是由於其中的亞結構與竹節晶界互動作用的結果。
晶界阻尼對溫度十分敏感，隨溫度的升高，阻尼性能值增大。通常在高溫下，晶界表現出 良好的阻尼特性。但此時材料的物理、力學性能較差，故晶界高溫阻尼峰（即葛峰）通常無法套用。但其低溫阻尼背景（low temperature damping backgroud）可以用來改善較低溫度下材料的阻尼性能。
（4）界面阻尼：界面阻尼通常指由於相界面移動引起應力鬆弛的結果。Schoeck利用Eshelby夾雜理論研究了合金中沉澱相與基體界面結構對合金阻尼性能的影響，發現半共格或共格界面促進合金的阻尼。
（5）孿晶界阻尼：孿晶界阻尼與材料中孿晶界的移動有關。熱彈性馬氏體（如記憶合金中的）通常隨溫度下降而長大，隨溫度上升而收縮。由於孿晶界具有易動性，在這些過程中會出現孿晶界的移動，引起應力鬆弛和能量消耗。
（6）磁疇壁阻尼：磁疇壁阻尼與材料中磁疇壁的移動有關。在磁場作用下，磁疇壁移動，為磁滯伸縮效應；若施加外力，為磁滯伸縮逆效應，從而磁化發生變化。去掉外力後，磁疇壁不能恢復原狀，引起能量消耗。
