为什么铸铁材料能减振降噪?

学术   2024-07-28 07:44   上海  
铸铁做的部件非常常见,其实有些场合应用铸铁件考虑的不仅仅是铸造带来的经济性和复杂形状适应性,还考虑了铸铁材料的一个很重要的特性 - 阻尼特性。估计这个大家很少听说过,其实像机器的底座和支架、发动机或齿轮箱的箱体、制动部件等等采用铸铁件都利用了这种特性。
振动对某些设备来说是至关重要的,不仅会带来噪音,还有可能会引发故障和失效。如果振动能量积累而未充分消散,将会导致振幅增大,过度振动会导致精密机械不再精准,配合表面因振动磨损而不再稳定,齿轮和轴承等部件发生过度磨损。采用具有高阻尼能力的材料制成的零部件可以减少振动和噪音,最大限度地改善设备运行工况,延长寿命。
上图是灰铸铁、球墨铸铁和钢三种不同材料的阻尼特性曲线(振动振幅随时间衰减快慢)对比,可以看出,球磨铸铁的相对阻尼能力是钢的2倍左右,而灰铸铁又是球墨铸铁的2倍左右。
那为啥灰铸铁的阻尼特性这么好呢?这里可能需要提到一个大家更为陌生的词组了,那就是内耗(internal friction)和力学谱(Mechanical spectroscopy)。我们知道振动着的固体即使与外界完全隔绝,其机械振动能也会逐渐衰减下来,这种由于材料内部原因而引起的能量损耗称为内耗。因为机械振动能的耗散是通过内部机制来完成的,所以材料的这种性质和材料的微观结构和缺陷关系非常大,同时也与外部环境的物理参量密切相关。如把内耗表示成温度、频率、应力振幅、外加电场或磁场等外部参量的函数,将会得到一系列分立的或连续的谱,称之为内耗谱(或力学谱)[1]。

上图就是石墨,灰铸铁(注:图中GG25为德国材料牌号,对应新牌号GJL-250,也即国内的HT250)和纯铁三种材料的内耗谱对比[2]。从图中我们可以看出,灰铸铁具有典型的内耗谱,其在180至250K之间的内耗显著增加。将其与灰铸铁的两种组成成分铁和石墨的内耗谱进行比较,可以发现灰铸铁和石墨的内耗谱曲线存在相关性,因而石墨相是灰铸铁内部阻尼的来源,其能量耗散来源于石墨基面上的位错运动。

以上就是铸铁件为什么能减振降噪的一些理论解释,有点学术和抽象了点。不过大家了解一下算是一个知识的拓展吧。

对于球磨铸铁,如上图所示,由于其内部的石墨主要是球状结构,相比灰铸铁中的片状石墨结构来说,振动能量的耗散效果差了点。但是由于球墨铸铁机械性能接近钢材,比灰铸铁强度和韧性都好不少,因此需要减振且重要的场合球墨铸铁应用更多。一些承压、受力不大、不太重要的场合用灰铸铁,减振效果更好。

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[参考文献]
  1.  内耗与力学谱基本原理及其应用,方前锋等
  2. Applications of mechanical spectroscopy to industrial materials, R. Schaller
  3. Cast Iron: History and Application,Andrew Ruble

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