金屬中的“啞巴”：防振和減振合金

只看該作者 · 2012-10-1 20:16:11

悠揚悅耳的鋼琴聲，低沉纖柔的二胡聲，清脆婉轉的笛子聲，激昂嘹亮的軍號聲……使我們的生活變得豐富多彩。“姑蘇城外寒山寺，夜半鐘聲到客船”，鐘聲也許真的會給漂泊異鄉的游子帶來無限的感慨。

聲音與我們生活的關系實在是太密切了。可以毫不夸張地說，我們的生活一步也離不開聲音，否則人類就會進入因寂靜而無法生存的世界。

然而，聲音也有對人類不利的一面。隨著城市的擴大、工農業和交通的發展，人們時時受到噪聲的騷擾。噪聲和污水、廢氣一起被公認為污染環境的當代世界三大公害。人們用金屬材料制造各種機器和設備，不幸的是，它們使得噪聲污染更為嚴重。噪聲來源于振動，它們是一對“孿生姐妹”。所以，要減少噪聲的污染，首先得盡量防止振動和減少振動。為此，目前材料科學家們正在致力于尋找一種“啞巴”金屬——防振和減振合金。　

噪聲的危害　

鋼琴、二胡、笛子、大鐘等樂器能發出準確、優美的音響，令人愉悅。然而，絕大部分用金屬制造的機器和設備，在加工和使用過程中卻產生出對人類有害的噪聲。

噪聲，從物理性質上看，是由聲源作無規則的非周期性振動而產生的，聽起來有嘈雜、刺耳的感覺。從環境保護的角度看，人們把一切對生活和工作有妨礙的聲音都算作噪聲。其實，在我國約2000年前的文獻中已有關于噪聲的記載。例如《說文》中把“噪聲”的含義明確解釋為“擾也”，《玉篇》中解釋為“群呼煩擾也”。

噪聲的危害性是多方面的。首先，噪聲會影響身體健康，產生頭痛、腦脹、耳鳴、眼花等癥狀，引起心律不齊、高血壓、冠心病、消化不良、胃潰瘍等疾病，嚴重時還會導致鼓膜破裂、雙耳變聾、腦震蕩、休克和死亡。其次，噪聲對正常生活和工作產生干擾，噪聲使人心煩意亂、注意力不集中，妨礙休息和睡眠。第三，特強噪聲會損壞儀器設備和建筑結構，帶來災難性的破壞。例如，火箭和宇宙飛船的機械結構，在特強噪聲作用下，會產生“聲疲勞”，使材料或結構產生疲勞斷裂；當超音速飛機在低空掠過時，引起的“隆隆聲”相當于炸彈爆炸，會使門窗損壞、墻面開裂、屋頂掀翻、煙囪倒塌。據統計，在機械制造業中，近80％的事故和設備損傷與噪聲、共振有關。

噪聲可通過空氣振動和固體振動兩種途徑傳播，而對付噪聲，則有吸收和反射兩種方法。對于空氣中傳播的噪聲，可采用隔聲和吸聲材料加以隔離；對于固體振動引起的噪聲，則采用防振和減振材料加以消除。　

此物無聲勝有聲　

首先，我們將金屬材料和高分子材料（如塑料、橡膠等）進行比較。金屬材料的強度高，適合于作為工程結構和機械零件的材料，但它的振動衰減性差，容易產生振動和噪聲。若要振動衰減性好，可以采用塑料，但塑料無法用在強度要求高的場合。所以，人們為了兼顧高強度和振動衰減性好這兩方面的要求，開始研制防振合金。這種防振合金可利用金屬本身所具有的高減振性能，來達到減振、消聲的目的。防振合金又稱“減振合金”、“阻尼合金”、“無聲合金”、“消聲合金”、“安靜合金”等。目前生產中應用的防振合金有數十種，例如有減振和強度兼優的錳銅合金、鎳鈦合金，有常作為機床床身、機器底座的灰口鑄鐵，有用于制造立體聲放大器底板的鋁鋅合金，也有作為蒸汽渦輪機葉片材料的鉻鋼，更有用作火箭、衛星上精密儀器防振臺架的鎂鋯系合金等。

錳銅合金是一種目前被認為性能較好的防振合金。據說，當初有一塊含錳量為80％的合金掉在地上，并未發出多大的聲音，因而引起了人們的興趣。從此，美國礦山局開始研究它，英國有關方面也研究它。結果，英國研制成功了含54.25％錳、37％銅、3％鐵、1.5％鎳的合金，這種合金被稱為“索諾斯同”（Sonoston）；美國研制成功了含40％錳、58％銅、2％鋁的合金，該合金被稱為“因克拉謬特”（Incramute）；而上海交通大學則研制成功了我國自己的錳銅合金。

錳銅合金之所以具有優異的減振性，是因為它的結晶構造進行了重新排列，依靠容易移動的晶體界面及在運動過程中產生的能量損耗，對振動起到阻尼作用，從而能有效地吸收噪聲。生產中常用振動波傳遞過程中振幅的衰減程度來計算材料的減振系數。減振系數愈大，則材料的減振性愈好。據測定，錳銅合金的減振系數為40％，低碳鋼的減振系數僅為4％，錳銅合金的減振性竟是低碳鋼的10倍。

錳銅合金是名副其實的金屬中的“啞巴”。用錘敲打錳銅合金，如同敲打橡膠那樣沉悶，即使使勁把它摔在水泥地上，也只發出輕微的“噗噗”聲。用錳銅合金制造潛水艇的螺旋槳，無論轉速多高，都不會發出聲響，從而不易暴露目標，增加了潛水艇活動的隱蔽性。用錳銅合金鑲嵌在燃氣輪機或鑿巖機鉆桿的軸承套上，機器開動時，它“不動聲色”，可降低噪聲幾十分貝，為延長機器壽命和改善勞動條件“默默無聞”地作出了貢獻。圓盤鋸、鏈式輸送機、高速紙帶穿孔機等許多機器，都是錳銅合金大顯身手的用武之地。它還可以制成防音車輪，悄悄來，悄悄去，整日“啞口無言”，為降低城市噪聲，維護寧靜的生活環境立下了汗馬功勞。　

鑄鐵的減振性優于鋼　

鑄鐵和鋼都是黑色金屬的家族成員。從化學成分講，它們都是鐵碳合金，含碳量大于2％的鐵碳合金稱為鑄鐵，含碳量小于2％的鐵碳合金則是鋼。鑄鐵的種類很多，常用的是灰口鑄鐵，其中的碳主要以石墨形式存在，因其斷口呈暗灰色而得名。比較灰口鑄鐵和鋼的內部結構，可以得出結論：灰口鑄鐵組織相當于在鋼的基體上分布著石墨。從分析石墨的作用著手，我們可以比較容易地了解鑄鐵有別于鋼的許多特點。鑄鐵的減振性能優于鋼，主要也是因為鑄鐵中的石墨具有吸收振動能量的本領。

也許你有這樣的經驗，把耳朵貼在鋼軌上，能聽到遠方火車的滾滾車輪聲，這是因為鋼的內部結構比較緊密，是一種“連續”的物質，能把火車開動的聲音（實際上是聲波引起鋼軌的振動）以5000米/秒的高速度傳到你的耳中，它比聲波在20℃空氣中的傳播速度（344米/秒）快得多，說明鋼傳遞振動的能力強，也就是減振性差。而鑄鐵中存在石墨，情況就不同了。石墨作為一種非金屬夾雜物，破壞了合金組織的連續性，石墨的強度比起金屬來差得多，可以近似地把它看成為“微小的裂縫或空洞”，所以振動在傳遞時碰到石墨只能“繞道而行”，再加上石墨本身非常松軟，在振動時會反復變形，從而把振動能變成熱能而散發掉。石墨的數量愈多，吸收的振動能愈多，這樣就起到了減振的作用。據測定，鑄鐵的減振系數為19％，低碳鋼的減振系數為4％，也就是說鑄鐵的減振性接近于低碳鋼的5倍。

鑄鐵內分布有較軟的石墨，屬于復合型防振合金。鑄鐵常用來制造要求減振性好的機床床身、機架、箱座、殼體等。例如，在精密磨床上用砂輪可以磨削出平滑如鏡的工件（稱為鏡面磨削），它的尺寸誤差只有頭發絲粗細的幾百分之一，在磨削時要求磨床非常平穩，不允許較大的振動。這時就請鑄鐵來“幫忙”，它能非常稱職地充當精密磨床床身材料的“角色”，任你砂輪飛速轉動，火花四濺，鑄鐵床身巍然屹立，穩穩地托住工件，即使有什么“風吹草動”，也能吸振、消振，起到緩沖作用。鑄鐵成了減振能手，到處受到機床工人的歡迎。　

“三明治”　

上面介紹的防振合金是把原來“發聲”的金屬變成“啞巴”金屬，令噪聲無法產生或使其減弱，但這有時不一定能完全達到降低噪聲的指標。那該怎么辦呢？可以用吸聲材料和隔聲材料把噪聲源封閉起來，不讓噪聲傳出去，這種做法同樣可達到降低噪聲的目的。“三明治”式的減振鋼板就起到這樣的作用。

說起“三明治”，你也許知道，這是一種大眾化的西式點心，一般用兩片面包，中間夾上荷包蛋、火腿片、番茄片或蔬菜、果醬等配制而成。傳說，在18世紀時，英國貴族三明治伯爵四世，因終日玩牌顧不上吃正餐，只好用這種快餐點心充饑。想不到這消息不脛而走，人們感到吃這種點心既經濟又節省時間，就以三明治的名字命名。因此，“三明治”點心很快地在世界各地流行起來。

我們所說的減振鋼板，與“三明治”有某些相似之處。它是在兩塊鋼板間夾有或涂有一層薄薄的樹脂而組成的復合鋼板。樹脂能吸收振動能并將其轉化為熱能，同時多層界面本身也具有減振吸能的作用。這種減振鋼板把樹脂優異的減振性能和鋼板的高強度巧妙地結合在一起，取長補短，相得益彰。為了減少汽車振動和降低噪聲，這種減振鋼板在汽車工業中獲得了廣泛的應用。它的厚度為0.2～1.2毫米，中間的樹脂層厚度為0.04毫米。用這種減振鋼板制成的零件和用普通鋼板制成的零件相比，振動噪聲一般可降低3～5分貝。1989年，日本在某些高級轎車上采用這種減振鋼板，使噪聲降低10～15分貝。

還有一種簡易的減振鋼板，只是在鋼板的一面涂上或貼上樹脂等減振材料。

也有人把這種“三明治”式或簡易的減振鋼板，再與吸聲效果好的纖維材料、泡沫材料等組合，制成隔聲鑲板。

這些減振鋼板或隔聲鑲板廣泛應用于需要消聲、隔聲、減振的場合，如用于制造機器板材或構件、發動機轉動部件或家用電器等，也可用于建造電子計算機機房、打字機室、電話交換臺室、體育館、賓館臥室、會議廳，以及居住區附近的高架公路或高速公路的防噪裝置等。