Материалы с особыми демпфирующими свойствами.

В зависимости от условий применения материалов в различных устройствах к ним предъявляются те или иные требования по уровню внутреннего трения (например, высокая механическая добротность Q). Такие сплавы используются, например, в схемах электромеханической задержки электрического импульса, в электромеханических фильтрах, а также для изготовления струн, камертонов и др. Однако в технике более широко используются так называемые сплавы высокого демпфирования. Область применения этих сплавов весьма велика. Их использование целесообразно там, где возникают вредные вибрации и шумы. В частности, сплавы высокого демпфирования способствует подавлению резонансных колебаний, возникающих при совпадении частоты собственных и вынужденных колебаний. Резонансное разрушение – одна из основных причин выхода из строя и аварий паровых и газовых турбин.

Мощные вибрации могут также вызвать акустическую усталость и разрушение, что особенно характерно для авиационной реактивной техники.

Источниками внутреннего трения в сплавах высокого демпфирования являются потери гистерезисного типа. Высокие значения демпфирования могут быть получены в сплавах, в которых реализуется хотя бы один из следующих механизмов внутреннего трения:

- необратимое смещение границ двойников;

- необратимое смещение межфазных когерентных границ (в сплавах с термоупругим мартенситом);

-необратимое смещение границ ферромагнитных доменов;

-микропластическая деформация в гетерогенных сплавах со структурными составляющими с сильно отличающимся сопротивлением пластической деформации.

Следует отметить, что ряд материалов (очень чистое железо, никель, магний и др) имеют очень высокий максимальный уровень демпфирования, но не могут использоваться в качестве конструкционных материалов.

Обычно максимальное значение Q^-1 в сплавах высокого демпфирования выше 10^-2.

Кратко охарактеризуем основные группы сплавов высокого демпфирования.

1. Магниевые сплавы. Наилучшим сочетанием механических и демпфирующих свойств обладает сплав магния и 0,5 % циркония, а также более сложные сплавы на этой основе. Эти сплавы, являясь легкими, получили широкое распространение в авиа- и ракетостроении. В основе механизма высокого демпфирования этих сплавов лежит процесс упругого двойникования под действием внешних напряжений. Движение границ двойников является необратимым и сопровождается рассеянием энергии механических колебаний.

2. Сплавы меди с марганцем. Наиболее широко в промышленности применяется сплав 75% марганца и 25% меди. Механизм демпфирования сходен с предыдущим случаем.

3. Железо-хромистые сплавы перлитного и карбидного класса. Классической сталью в этом отношении является сталь 1Х12, а также ее производные, дополнительно легированные ванадием, вольфрамом и молибденом. Поскольку эти стали применяются как жаропрочные материалы, например в турбостроении, важным свойством их является высокая демпфирующая способность при высоких температурах. Механизмом демпфирования в этих сплавах является магнитомеханическое демпфирование.

4. Сплавы на основе никель-кобальт. Эти сплавы имеют тот же механизм демпфирования, что и в предыдущем случае, но со значительно большей жаростойкостью.

5. Сплавы системы никель-титан. Эти сплавы весьма перспективны, несмотря на свою высокую стоимость. Они обладают высокой коррозионной стойкостью и повышенной прочностью. Типичный состав: 45-50% титана, остальное – никель. Высокие демпфирующие свойства обусловлены термоупругим мартенситным превращением (это сплавы с памятью формы).

6. Серые чугуны. Чугуны относятся к наиболее старым и распространенным конструкционным материалам высокого демпфирования. Хотя степень демпфирования уступает в чугунах всем перечисленным выше сплавам, однако благодаря своей дешевизне чугуны используются при изготовлении тяжелых станин и тому подобных конструкций. Повышенная демпфирующая способность серого чугуна связана, во-первых, с прохождением микропластической деформацией в металлической основе вблизи включений графита и, во-вторых, она связана с пластической микродеформацией самих графитных включений.