金属中的“哑巴”：防振和减振合金

显示全部楼层 · 2012-10-1 20:16:11

悠扬悦耳的钢琴声，低沉纤柔的二胡声，清脆婉转的笛子声，激昂嘹亮的军号声……使我们的生活变得丰富多彩。“姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船”，钟声也许真的会给漂泊异乡的游子带来无限的感慨。

声音与我们生活的关系实在是太密切了。可以毫不夸张地说，我们的生活一步也离不开声音，否则人类就会进入因寂静而无法生存的世界。

然而，声音也有对人类不利的一面。随着城市的扩大、工农业和交通的发展，人们时时受到噪声的骚扰。噪声和污水、废气一起被公认为污染环境的当代世界三大公害。人们用金属材料制造各种机器和设备，不幸的是，它们使得噪声污染更为严重。噪声来源于振动，它们是一对“孪生姐妹”。所以，要减少噪声的污染，首先得尽量防止振动和减少振动。为此，目前材料科学家们正在致力于寻找一种“哑巴”金属——防振和减振合金。　

噪声的危害　

钢琴、二胡、笛子、大钟等乐器能发出准确、优美的音响，令人愉悦。然而，绝大部分用金属制造的机器和设备，在加工和使用过程中却产生出对人类有害的噪声。

噪声，从物理性质上看，是由声源作无规则的非周期性振动而产生的，听起来有嘈杂、刺耳的感觉。从环境保护的角度看，人们把一切对生活和工作有妨碍的声音都算作噪声。其实，在我国约2000年前的文献中已有关于噪声的记载。例如《说文》中把“噪声”的含义明确解释为“扰也”，《玉篇》中解释为“群呼烦扰也”。

噪声的危害性是多方面的。首先，噪声会影响身体健康，产生头痛、脑胀、耳鸣、眼花等症状，引起心律不齐、高血压、冠心病、消化不良、胃溃疡等疾病，严重时还会导致鼓膜破裂、双耳变聋、脑震荡、休克和死亡。其次，噪声对正常生活和工作产生干扰，噪声使人心烦意乱、注意力不集中，妨碍休息和睡眠。第三，特强噪声会损坏仪器设备和建筑结构，带来灾难性的破坏。例如，火箭和宇宙飞船的机械结构，在特强噪声作用下，会产生“声疲劳”，使材料或结构产生疲劳断裂；当超音速飞机在低空掠过时，引起的“隆隆声”相当于炸弹爆炸，会使门窗损坏、墙面开裂、屋顶掀翻、烟囱倒塌。据统计，在机械制造业中，近80％的事故和设备损伤与噪声、共振有关。

噪声可通过空气振动和固体振动两种途径传播，而对付噪声，则有吸收和反射两种方法。对于空气中传播的噪声，可采用隔声和吸声材料加以隔离；对于固体振动引起的噪声，则采用防振和减振材料加以消除。　

此物无声胜有声　

首先，我们将金属材料和高分子材料（如塑料、橡胶等）进行比较。金属材料的强度高，适合于作为工程结构和机械零件的材料，但它的振动衰减性差，容易产生振动和噪声。若要振动衰减性好，可以采用塑料，但塑料无法用在强度要求高的场合。所以，人们为了兼顾高强度和振动衰减性好这两方面的要求，开始研制防振合金。这种防振合金可利用金属本身所具有的高减振性能，来达到减振、消声的目的。防振合金又称“减振合金”、“阻尼合金”、“无声合金”、“消声合金”、“安静合金”等。目前生产中应用的防振合金有数十种，例如有减振和强度兼优的锰铜合金、镍钛合金，有常作为机床床身、机器底座的灰口铸铁，有用于制造立体声放大器底板的铝锌合金，也有作为蒸汽涡轮机叶片材料的铬钢，更有用作火箭、卫星上精密仪器防振台架的镁锆系合金等。

锰铜合金是一种目前被认为性能较好的防振合金。据说，当初有一块含锰量为80％的合金掉在地上，并未发出多大的声音，因而引起了人们的兴趣。从此，美国矿山局开始研究它，英国有关方面也研究它。结果，英国研制成功了含54.25％锰、37％铜、3％铁、1.5％镍的合金，这种合金被称为“索诺斯同”（Sonoston）；美国研制成功了含40％锰、58％铜、2％铝的合金，该合金被称为“因克拉谬特”（Incramute）；而上海交通大学则研制成功了我国自己的锰铜合金。

锰铜合金之所以具有优异的减振性，是因为它的结晶构造进行了重新排列，依靠容易移动的晶体界面及在运动过程中产生的能量损耗，对振动起到阻尼作用，从而能有效地吸收噪声。生产中常用振动波传递过程中振幅的衰减程度来计算材料的减振系数。减振系数愈大，则材料的减振性愈好。据测定，锰铜合金的减振系数为40％，低碳钢的减振系数仅为4％，锰铜合金的减振性竟是低碳钢的10倍。

锰铜合金是名副其实的金属中的“哑巴”。用锤敲打锰铜合金，如同敲打橡胶那样沉闷，即使使劲把它摔在水泥地上，也只发出轻微的“噗噗”声。用锰铜合金制造潜水艇的螺旋桨，无论转速多高，都不会发出声响，从而不易暴露目标，增加了潜水艇活动的隐蔽性。用锰铜合金镶嵌在燃气轮机或凿岩机钻杆的轴承套上，机器开动时，它“不动声色”，可降低噪声几十分贝，为延长机器寿命和改善劳动条件“默默无闻”地作出了贡献。圆盘锯、链式输送机、高速纸带穿孔机等许多机器，都是锰铜合金大显身手的用武之地。它还可以制成防音车轮，悄悄来，悄悄去，整日“哑口无言”，为降低城市噪声，维护宁静的生活环境立下了汗马功劳。　

铸铁的减振性优于钢　

铸铁和钢都是黑色金属的家族成员。从化学成分讲，它们都是铁碳合金，含碳量大于2％的铁碳合金称为铸铁，含碳量小于2％的铁碳合金则是钢。铸铁的种类很多，常用的是灰口铸铁，其中的碳主要以石墨形式存在，因其断口呈暗灰色而得名。比较灰口铸铁和钢的内部结构，可以得出结论：灰口铸铁组织相当于在钢的基体上分布着石墨。从分析石墨的作用着手，我们可以比较容易地了解铸铁有别于钢的许多特点。铸铁的减振性能优于钢，主要也是因为铸铁中的石墨具有吸收振动能量的本领。

也许你有这样的经验，把耳朵贴在钢轨上，能听到远方火车的滚滚车轮声，这是因为钢的内部结构比较紧密，是一种“连续”的物质，能把火车开动的声音（实际上是声波引起钢轨的振动）以5000米/秒的高速度传到你的耳中，它比声波在20℃空气中的传播速度（344米/秒）快得多，说明钢传递振动的能力强，也就是减振性差。而铸铁中存在石墨，情况就不同了。石墨作为一种非金属夹杂物，破坏了合金组织的连续性，石墨的强度比起金属来差得多，可以近似地把它看成为“微小的裂缝或空洞”，所以振动在传递时碰到石墨只能“绕道而行”，再加上石墨本身非常松软，在振动时会反复变形，从而把振动能变成热能而散发掉。石墨的数量愈多，吸收的振动能愈多，这样就起到了减振的作用。据测定，铸铁的减振系数为19％，低碳钢的减振系数为4％，也就是说铸铁的减振性接近于低碳钢的5倍。

铸铁内分布有较软的石墨，属于复合型防振合金。铸铁常用来制造要求减振性好的机床床身、机架、箱座、壳体等。例如，在精密磨床上用砂轮可以磨削出平滑如镜的工件（称为镜面磨削），它的尺寸误差只有头发丝粗细的几百分之一，在磨削时要求磨床非常平稳，不允许较大的振动。这时就请铸铁来“帮忙”，它能非常称职地充当精密磨床床身材料的“角色”，任你砂轮飞速转动，火花四溅，铸铁床身巍然屹立，稳稳地托住工件，即使有什么“风吹草动”，也能吸振、消振，起到缓冲作用。铸铁成了减振能手，到处受到机床工人的欢迎。　

“三明治”　

上面介绍的防振合金是把原来“发声”的金属变成“哑巴”金属，令噪声无法产生或使其减弱，但这有时不一定能完全达到降低噪声的指标。那该怎么办呢？可以用吸声材料和隔声材料把噪声源封闭起来，不让噪声传出去，这种做法同样可达到降低噪声的目的。“三明治”式的减振钢板就起到这样的作用。

说起“三明治”，你也许知道，这是一种大众化的西式点心，一般用两片面包，中间夹上荷包蛋、火腿片、番茄片或蔬菜、果酱等配制而成。传说，在18世纪时，英国贵族三明治伯爵四世，因终日玩牌顾不上吃正餐，只好用这种快餐点心充饥。想不到这消息不胫而走，人们感到吃这种点心既经济又节省时间，就以三明治的名字命名。因此，“三明治”点心很快地在世界各地流行起来。

我们所说的减振钢板，与“三明治”有某些相似之处。它是在两块钢板间夹有或涂有一层薄薄的树脂而组成的复合钢板。树脂能吸收振动能并将其转化为热能，同时多层界面本身也具有减振吸能的作用。这种减振钢板把树脂优异的减振性能和钢板的高强度巧妙地结合在一起，取长补短，相得益彰。为了减少汽车振动和降低噪声，这种减振钢板在汽车工业中获得了广泛的应用。它的厚度为0.2～1.2毫米，中间的树脂层厚度为0.04毫米。用这种减振钢板制成的零件和用普通钢板制成的零件相比，振动噪声一般可降低3～5分贝。1989年，日本在某些高级轿车上采用这种减振钢板，使噪声降低10～15分贝。

还有一种简易的减振钢板，只是在钢板的一面涂上或贴上树脂等减振材料。

也有人把这种“三明治”式或简易的减振钢板，再与吸声效果好的纤维材料、泡沫材料等组合，制成隔声镶板。

这些减振钢板或隔声镶板广泛应用于需要消声、隔声、减振的场合，如用于制造机器板材或构件、发动机转动部件或家用电器等，也可用于建造电子计算机机房、打字机室、电话交换台室、体育馆、宾馆卧室、会议厅，以及居住区附近的高架公路或高速公路的防噪装置等。