• 1. 下篇 维护技术基础第1章 航空材料
    • 2. 1.1 金属材料的基本概述金属材料是航空工业的基本材料。 为了降低飞机结构的重量,提高飞机的结构效率,飞机结构应选用轻质、高强度和高模量的材料。 为确保飞机的安全性和经济性,还应综合考虑材料的韧性、疲劳和断裂特性、耐蚀性以及材料的市场价格。
    • 3. 1.1.1金属材料的基本性能 金属按其成分可分为:纯金属和合金 纯金属是由单一金属元素组成的 合金是由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。黄铜(Cu+Zn)、碳钢(Fe+C)。 金属的基本性能:物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能。 物理性能:颜色、比重、密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等 化学性能:抗腐蚀性、热安定性等 机械性能:强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性等 工艺性能:铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理性等
    • 4. 一、金属的物理性能: (1)颜色: 根据颜色可将金属分为黑色金属和有色金属。铁、锰、铬是黑色金属,其余的金属都是有色金属。 (2)比重:比重是单位体积金属的重量。 用符号表示,单位是MPa/m。 根据比重可以将金属分为轻金属和重金属两大类。(49×10-3 MPa/m(5 g/cm3)) (3)熔点:金属加热时由固态变为液态时的温度称为熔点。 根据熔点的高低,又可将金属分为易熔金属和难熔金属。(700℃) (4)导电性:金属传导电流的能力称为金属的导电性。 金属的导电性用金属的电阻率(电)来表示,单位是·mm2/m。 越大,金属的导电性越差。 金属是电的良导体,但各种金属的导电性并不相同,银的导电性最好,铜和铝次之。
    • 5. (5)导热性:金属传导热量的能力称为金属的导热性。 金属的导热性常用热导率(导热系数)来表示,常用的单位是W/(m·K)。 导热系数越大,金属的导热性越好。 一般情况下金属的导热能力要比非金属大得多。 金属的导电性和导热性有密切的关系,导电性好的金属导热性也好。 (6)热膨胀性:金属在温度升高时体积胀大的性质称为热膨胀性。 金属的热膨胀性通常用线膨胀系数(1)来表示,单位是K-1。 金属的线膨胀系数越大,热膨胀性就越大。 飞机结构铝合金的线膨胀系数大约为合金钢的两倍,这是造成飞机软操纵系统钢索张力随温度变化的主要原因。 (7)磁性:金属被磁场磁化或吸引的性能称为磁性。 磁性最强的金属是铁、镍、钴。
    • 6. 二、金属的化学性能 金属的化学性能是指金属与其他物质发生化学作用的性能。 金属材料的化学稳定性主要影响到飞机结构的抗腐蚀能力。腐蚀就是金属和周围介质发生化学或电化学作用而遭受破坏的现象。 金、银、镍、铬等金属的抵抗腐蚀的能力比较强,而镁、铁等金属抵抗腐蚀的能力就比较差。 三、金属的机械性能 金属的机械性能是指金属在载荷作用下抵抗破坏和变形的能力。 飞机结构在使用中要承受各种载荷,所以,金属材料的机械性能是飞机结构设计和选择材料的重要依据。
    • 7. 四、金属的工艺性能 金属接受工艺方法加工的能力称为金属的工艺性能。 (1)铸造性: 将熔化的金属浇铸到铸型中制造金属零件的方法叫铸造。 金属的铸造性是指金属是否适合铸造的性质。 铸造性好通常是指金属熔化后流动性好,吸气性小,热裂倾向小,冷凝时收缩性小等性质。 铸铁、青铜等具有良好的铸造性。 (2)锻造性: 金属在冷、热状态下,由于外力作用产生变形而得到所需形状和尺寸的加工方法,称为压力加工。 碾压、冲压、模锻、自由锻等都属于压力加工。 金属的锻造性是指金属在加热状态下接受压力加工的能力。 金属的塑性越大,变形的抗力越小,锻造性就越好。 常用的金属中,低碳钢、纯铜等的锻造性比较好,而铸铁不能锻造。
    • 8. (3)焊接性:焊接工艺一般分为熔焊和钎焊两大类: ①熔焊:将两个工件的结合部位加热到熔化状态,冷却后形成牢固的接头,使两个工件焊接成为一个整体。一般还要在结合部位另加填充金属。熔焊一般又分为电焊和气焊。 ②钎焊:将两个工件的结合部位和作为填充金属的钎料进行适当的加热,钎料的熔点比工件金属的熔点低,在工件金属还没有熔化的情况下,将已熔化的钎料填充到工件之间,与固态的工件金属相互溶解和扩散,钎料凝固后将两个工件焊接在一起。 金属材料的焊接性是指在采用一定的焊接工艺方法、焊接材料、工艺参数等条件下,获得优质焊接接头的难易程度。 (4)切削加工性:用切削工具进行加工时,金属表现出来的性能叫做金属的切削加工性能。 金属具有较好的切削加工性通常是指切削加工时,切削力小,切削碎屑容易脱落,切削工具不易磨损,加工后容易得到光洁度较高的加工表面。 材料的切削加工性能主要决定于它们的物理性能和机械性能。强度高、硬度高的材料,塑性好的材料和导热性能差的材料,其切削加工性能都比较差。
    • 9. 1.1.2金属材料的机械性能机械性能指标:强度、塑性、硬度、韧性和抗疲劳性能等。 一、强度和塑性 金属的强度和塑性是通过拉力试验来测定。 拉力试样通常有圆形截面的棒状和矩形截面的板状,在试件中间一段截面均匀的部分是试验段,其长度用l0表示,称为标距。
    • 10. (本页无文本内容)
    • 11. 把试样承受的载荷P除以试样的原始横截面 积F0,则得到试样所承受的拉应力 ,即把试样的伸长量△l除以试件原始的标距长度l0,则得到试样的相对伸长一应变 ,即
    • 12. 强 度 指 标弹性模量(E) 弹性极限(σe) 屈服极限(σs或σ0.2) 强度极限(σb)金属在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度。
    • 13. 1.强度指标 (1)弹性模量 弹性模量E是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值,即E=σ/ε (MPa) 在材料弹性阶段,也就是op直线段所表示的阶段,E就是该直线段的斜率,等于常数。 弹性模量E是引起材料发生单位弹性应变时所需要的应力,它表示了金属材料抵抗弹性变形的能力。 材料的弹性模量E越大,在一定应力作用下,产生的弹性应变越小,材料的刚度就越大。 金属材料的弹性模量随着温度的升高而降低。 (2)弹性极限 材料保持弹性变形的最大应力值称为弹性极限,用σe表示。 σe =Pe/F0 (MPa)
    • 14. (3)屈服极限 从拉伸示意图上看,曲线上出现一个小平台的这一阶段称为屈服段,试样屈服时的应力称为材料的屈服极限,也称为屈服强度σs ,即σs=Ps/F0 (MPa) 有些常用金属的拉伸曲线上没有明显的屈服段,因此又规定,试样标距部分残余相对伸长达到原标距长度0.2%时的应力为屈服极限,也称为条件屈服极限,用 σ0.2表示。 屈服极限反映了金属材料对微量塑性变形的抵抗能力,对于在使用中,不允许发生微小塑性变形的结构件来说,材料的屈服极限是很重要的性能指标。 (4)强度极限 材料在断裂时承受的最大应力称为强度极限σb ,即 σb =Pb/F0 (MPa) 材料的强度极限σb就是材料拉断时的强度,它表示材料抵抗拉伸断裂的能力,也称为拉伸强度,是评定金属材料强度的重要指标之一。
    • 15. 塑 性 指 标 金属在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力叫塑性。 伸长率(δ) 断面收缩率(ψ )
    • 16. 2.塑性指标(1)伸长率 试样拉断后,标距长度增长量与原始标距长度之比称为伸长率δ ,即 δ=(lk-lo)∕lo×100% 对于塑性材料,拉断前会产生明显的颈缩现象,在颈缩部位产生较大的局部伸长。 (2)断面收缩率 试样被拉断后,拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比称为断面收缩率ψ 。即 ψ =(Fo-Fk)/Fo×100% 金属材料的伸长率δ和断面收缩率ψ越大,材料的塑性越好。
    • 17. 二、硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。 最常用的硬度法:布氏硬度法和洛氏硬度法。
    • 18. 布氏硬度计与洛氏硬度计
    • 19. 共同点:用一定的载荷将具有一定几何形状的压头压入被测试金属的表面,根据被压入的程度来测定金属材料的硬度值。 根据金属材料的硬度值可估计出材料的近似强度极限和耐磨性。 布氏硬度和金属材料的强度极限之间存在着近似的正比关系,硬度值大,材料的强度极限也大。通过布氏硬度可以近似确定材料强度极限,并可推断材料的热处理状态。 对于硬度较小的材料,容易被划伤、碰伤和磨损,在维修工作中,应注意保护。 金属材料的硬度对材料的机械加工性能也有影响。
    • 20. 硬度计的应用范围布氏硬度(HB) :压痕面积大,能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度,适用于组织比较粗大且不均匀的材料,但不宜测试成品件或薄金属件的硬度,也不能测试硬度高于HB450的金属材料。 洛氏硬度(HR) :压痕小,可以在制成品或较薄的金属材料上进行测试;而且,从较软材料到较硬材料,测试范围比较广泛。但对组织比较粗大且不均匀的材料,测量结果不准确。 根据压头的种类和所加载荷的大小分为HRB、HRC和HRA三种。
    • 21. 洛氏硬度(HR)洛氏硬度的级别及其应用范围洛氏硬度压头总载荷 (kgf) 测量范围 应 用 HRC 120º金钢锥 150 HRC20~67 淬火钢等硬零件 HRA 120º金钢锥 60HRA70以上 零件的表面硬化层等 HRB1/16吋钢球 100HRB25~100 软钢、铜合金和铝合金等 HRF1/16吋钢球 60HRF25~100 铝合金、镁合金等
    • 22. 三、韧性韧性是指金属试样断裂时,吸收能量的能力。 韧性好的金属材料,脆性就小,断裂时,吸收能量较多,不易发生脆性断裂。 1.冲击韧性 金属材料在冲击载荷作用下,抵抗破坏的能力称为冲击韧性。用冲击韧性值k来表示,并需要进行冲击试验来确定。 冲击韧性值k就是冲断试样所消耗能量和试样断裂处横截面积的比值,单位是J/cm2。
    • 23. 冲击试验来测定k :  势能→动能→对试件的冲击载荷。   GH1- GH2 = Ak (J)     Ak —摆锤冲断试样消耗的功   k  = Ak/S (J/cm2) S —试样缺口处横截面积 k可用来评定材料韧性和脆性程度。k低的材料称为脆性材料,在断裂前没有明显的塑性变形,吸收能量少,抵抗冲击载荷的能力低; k 高的材料称为塑性材料。在断裂前有明显的塑性变形,吸收能量多,抵抗冲击载荷的能力强。
    • 24. 对于在使用中承受较大冲击载荷的构件来说,材料的冲击韧性是很重要的性能指标。如起落架结构中的承力构件就采用强度高、韧性好的合金钢来制造。 2.断裂韧性 含义:是指金属材料对裂纹失稳扩展而引起的低应力脆断的抵抗能力。 低应力脆断:就是在工作应力低于或远低于材料的屈服极限时发生的脆性断裂。多发生在高强度合金钢材料结构件和大型焊接结构中。 低应力脆断是结构件中原有缺陷形成的裂纹发生失稳扩展而引起的。所以,裂纹扩展难易,也就是裂纹扩展所需的能量大小,就成为判定材料是否易于断裂的一个重要指标。
    • 25. 决定构件中裂纹是否发生失稳扩展不是承力构件的平均应力,而是裂纹尖端附近区域应力的大小。 为了研究裂纹尖端附近区域的应力情况,引进了一个表示裂纹尖端附近区域应力场强弱的因子,称为应力强度因子。 对于无限大厚板的中央穿透I型裂纹(张开型裂纹)的应力强度因子用KI表示。 式中:  ——名义应力; a ——裂纹长度的一半
    • 26. 裂纹的分类 按力学特征可分为三类:张开型、滑开型和撕开型。 张开型(I型裂纹):构件承受垂直于裂纹面的拉力作用,裂纹表面的相对位移沿着自身平面的法线方向。在工程结构上, I型裂纹是最常见的、最危险的裂纹。
    • 27. 随着增加,KI也增加,当增加到某一个临界值c。时,裂纹会突然失稳扩展,使构件发生脆性断裂。这时KI的临界值就称为临界应力强度因子,用KIc表示,也称为金属材料的平面应变断裂韧性。 对于平面应变状态,I型裂纹发生裂纹失稳扩展的条件是:
    • 28. 两个物理量KI和KIc不能混淆 KI是衡量裂纹尖端应力场强弱的一个物理量。它与外载荷大小,裂纹情况,构件结构几何形状和尺寸有关。与构件材料无关。 KIc是材料平面应变断裂韧性,它只与材料有关,是反映材料抵抗脆性断裂能力的一个重要的物理量。对于一定的材料,在一定工作环境下,它基本上是一个常数。 材料的断裂韧性KIc 会随着材料屈服极限的提高而降低。所以,在航空材料的选用过程中,不能一味追求材料的高强度,应在满足断裂韧性需要的情况下,提高材料的静强度( σs、σb )性能。
    • 29. 四、抗疲劳性能金属材料在交变载荷作用下发生的破坏称为疲劳破坏。 金属材料抵抗疲劳破坏的能力称为抗疲劳性能。 1.交变载荷和交变应力 交变载荷是指载荷的大小和方向随时间作周期性或者不规则改变的载荷。在交变载荷作用下,结构件的应力称为交变应力。
    • 30. 交变应力最大应力(Smax):代数值最大的应力 最小应力(Smin):代数值最小的应力 平均应力(Sm):最大应力和最小应力的代数平均值(应力循环中的静态分量) ,即           应力幅值(Sa):最大应力与最小应力差值的一半(应力循环中的变化分量) ,即   
    • 31. 应力循环的性质由平均应力Sm和应力幅值Sa所决定。 应力循环的特征由应力比R来表示: R=Smin/Smax 应力循环分为单向循环和双向循环。 单向循环:应力仅改变大小,不改变符号(方向)。R≥0 双向循环:应力的大小和方向都发生变化。R<0 交变应力分为三种: 当R=-1时,称为对称循环; R=0 时,称为脉动循环; R为其它任意值时,称为非对称循环。
    • 32. (本页无文本内容)
    • 33. S-N曲线利用若干个标准试件,在一定的平均应力Sm(或一定的循环特征R),不同的应力幅Sa(或不同的最大应力Smax)下进行疲劳试验,测出试件断裂时的循环次数N;然后把试验结果画在以Sa(或Smax)为纵坐标,以lgN为横坐标,画出一条曲线,它就是响应于Sm(或R)的一条S—N曲线。S-N曲线反映材料交变应力大小S与其疲劳寿命N之间的关系。 表征某种材料的抗疲劳破坏的特性,以及估计结构疲劳寿命。
    • 34. 2.金属材料抗疲劳性能——疲劳极限 在一定循环特征下,金属材料承受无限次循环而不破坏的最大应力,称为金属材料在这一循环特征下的疲劳极限,也称为持久极限。 通常应力循环特征R=-1时,疲劳极限的数值最小,如果不加说明,材料的疲劳极限都是指R=-1特征应力循环下的最大应力,用S-1表示。 在工程应用中,是在一个规定的足够大的有限循环次数,比如N=5  107~ 108,作用下而不发生破坏的最大应力,作为金属材料在该循环特征下的持久极限。也称为“条件持久极限” 或“实用持久极限”。
    • 35. 3.疲劳破坏的主要特征 : (1) 低的交变应力 (2) 脆性断裂 (3) 损伤累积的过程 三个阶段: 裂纹形成 裂纹稳定扩展 快速断裂 三个区域: 疲劳源:疲劳裂纹起源点; 疲劳裂纹稳定扩展区,称为光滑区; 快速断裂区呈现粗粒状。 (4) 具有局部性质,而并不牵涉到整个结构的所有材料。 在使用中发现疲劳裂纹时,一般并不需要更换全部结构,只需更换损伤部分。 在疲劳损伤不严重的情况下,有时只需要排除疲劳损伤,比如扩铰孔排除孔边裂纹、在裂纹尖端打止裂孔就可以了。
    • 36. 应力集中应力集中是指受力时结构件中应力分布的不均匀程度。金属结构件表面或内部的缺陷处(如划伤、夹杂、压痕、气孔等)以及截面突变处(如螺纹、大小截面转接处等),都会在载荷作用下出现应力局部增大的现象,形成应力集中。
    • 37. 应力集中的程度用应力集中系数Kt来表示。 应力集中的地方往往会成为疲劳裂纹的起源点,产生疲劳裂纹,导致疲劳破坏。 应力集中会使试件的疲劳极限大大下降,是影响疲劳强度的主要因素之一。提高金属构件表面光洁度,减少热处理造成的各种小缺陷,都可以较明显地提高金属构件的疲劳极限,延长它的使用寿命。
    • 38. 1.2 碳钢和合金钢 钢是以铁和碳为主要成分的合金,它的含碳量一般在0.02%~2.11%之间。 钢按化学成分分为碳素钢(简称为碳钢)和合金钢两大类。 碳钢 = 铁 + 碳 +少量的杂质(锰、硅、硫、磷等) 合金钢 = 碳钢 + 合金元素
    • 39. 1.2.1钢的分类一、按用途分类 (1)结构钢:用来制造各种工程结构和机器零件。包括:渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。 (2)工具钢:用来制造各种工具。包括:刃具钢、模具钢和量具钢等。 (3)特殊性能钢:包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
    • 40. 二、按化学成分分类 1.碳钢 按含碳量可将钢分为低碳钢(含碳量≤0.25%)、中碳钢(0.25%<含碳量≤0.6%)和高碳钢(含碳量>0.6%)。 当钢的含碳量小于0.9%时,随着钢中含碳量的增加,钢的强度、硬度直线上升,而塑性、韧性不断降低; 当钢的含碳量大于0.9%时,随着钢中含碳量的增加,不仅塑性、韧性进一步降低,钢的强度也明显下降。所以,工业中使用的碳钢含碳量一般不超过1.3%~1.4%。 2.合金钢 按合金元素含量可将合金钢分为低合金钢(合金元素总含量≤5%)、中合金钢(合金元素总含量在5%~10%)和高合金钢(合金元素总含量>10%)。 按钢中所含主要合金元素种类不同,合金钢又分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。
    • 41. 三、按质量分类 按钢中所含有害杂质磷、硫的含量,可分为普通钢(含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%或磷、硫含量均≤0.050%)、优质钢(磷、硫含量均≤0.040%)和高级优质钢(含磷量≤0.035%、含硫量≤0.030%)。
    • 42. 1.2.2钢的热处理热处理是将固态金属或合金以一定的速度加热到一定的温度并保温一定时间,再以预定的冷却速度进行冷却,以改变其内部金相组织,从而获得所需要性能的一种工艺过程。温度和时间是影响热处理的主要因素。
    • 43. 一、钢热处理方法的分类钢的热处理分为以下几种基本类型: 在实际生产中又分为预备热处理和最终热处理。 为使加工的零件满足使用性能要求而进行的热处理叫做最终热处理; 而为了消除前一道工序造成的某些缺陷,或为后面的加工做好准备的热处理叫做预备热处理。
    • 44. 二、热处理过程中钢组织的转变和钢热处理的临界温度 室温下钢的组织:铁素体(F) + 渗碳体(Fe3C) 铁素体强度硬度低,塑性和韧性高。渗碳体熔点高,硬而脆,强度也不高。 在以铁素体为基体的铁碳合金中,渗碳体是一种强化相。渗碳体越多,分布越均匀,材料的强度和硬度就越高。 第一步:加热并保温一定的时间,铁素体+渗碳体均匀的奥氏体(A)。 奥氏体(A)有良好的塑性,但强度和硬度不高,没有磁性。 钢组织由铁素体和渗碳体的混合物转变为单一奥氏体组织的温度称之为钢热处理的临界温度。 第二步:不同的冷却速度(如随炉冷、空气冷、油冷、水冷等)冷却到室温,从而得到不同的组织,获得所需要的性能。
    • 45. 冷却过程是钢热处理的关键,它对控制钢在冷却后的组织与性能具有决定性的意义。 同一钢种在相同加热条件下获得的奥氏体组织,以不同的冷却条件冷却后,钢的机械性能有着明显的不同 。 V冷却↑,强度↑,硬度↑,塑性↓
    • 46. 三、普通热处理1.退火 工艺:是将钢加热到临界温度以上30一50℃,保温一段时间后,以十分缓慢的速度进行冷却(通常是随炉冷却)的热处理工艺。 目的: (1)改善或消除钢在铸造、锻造或焊接后,成分和组织不均匀性。 (2)降低硬度,以便于切削加工。 (3)提高塑性,以便于冷变形加工。 (4)细化组织晶粒,改善性能,消除应力。 去应力退火工艺:是将工件缓慢加热到临界温度以下的某一温度(通常为600—650℃),保温一定的时间,然后随炉缓慢冷却到200℃,再出炉冷却至室温。 去应力退火的加热温度低于临界温度,也叫低温退火。 在去应力退火过程中,钢并不发生相变,残余应力主要是在保温时消除的。 用于消除铸件、锻件或焊接件、冷冲压件以及机加工件中的残余应力,防止工件在以后机械加工或使用过程中,产生变形或开裂。
    • 47. 2.正火 工艺:将钢加热到临界温度以上30~50℃,保温一定的时间,在空气中冷却的热处理。 正火与退火不同:主要在于正火的冷却速度较快。正火后钢的强度、硬度和韧性都比退火后的要高,而且塑性也不降低。因为正火后钢的性能更好,操作又简单,生产周期短,设备利用率高,所以在生产中得到广泛的应用。 3.淬火 工艺:把钢加热到临界温度以上,经适当保温后,快速冷却到室温(一般用油冷或水冷),从而获得马氏体组织的一种热处理。 马氏体:淬火热处理冷却速度很快,使奥氏体中碳原子来不及折出,就形成了碳原子过饱合的固溶体。 目的:获得马氏体,为后面进行的回火处理作好组织准备。 钢淬火后,必须进行回火处理,提高钢的强度和硬度,获得所需要的各种机械性能。
    • 48. 4.回火 工艺:将淬火处理后的钢加热到临界温度以下的某个温度,保温一定的时间,然后以选定的冷却速度(空冷、油冷或水冷)冷却到室温的热处理。它是紧接淬火处理的一道热处理工序。 目的: (1)改善淬火所得到的马氏体组织,以调整改善钢的性能。 (2)使淬火所得到的马氏体变成稳定组织,稳定尺寸。 (3)消除淬火热处理在工件中产生的内应力,防止工件变形或开裂。 回火热处理分为低温回火、中温回火和高温回火。 调质处理=淬火+高温回火。钢材经调质处理后,硬度值与正火后的很接近,但塑性和韧性却显著地超过了正火状态。所以,一般重要的结构零件都以调质处理作为最终热处理。调质处理也可以作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。
    • 49. 四、表面热处理 目的:使零件的表层得到强化,使其具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限,而心部为了承受冲击载荷,仍应保持足够的塑性和韧性。 1.表面淬火 工艺:通过快速加热使钢表层温度达到临界温度以上,而不等热量传到中心,立即予以淬火冷却,其结果是表面获得硬而耐磨的马氏体组织,而心部仍保持原来塑性、韧性较好的组织。 不改变钢表层化学成分,只改变表层组织的局部热处理方法。 2.化学热处理 工艺:把钢零件置于某种介质中,通过加热和保温,使介质分解出某些元素渗入工件表层。 既改变零件表层的化学成分,又改变零件表层组织的一种表面热处理方法。 目的: (1)强化表面,提高工件表层的某些机械性能,如表面硬度、耐磨性、疲劳极限等。 (2)保护工件表面,提高工件表面的物理、化学性能,如耐高温及耐腐蚀等。
    • 50. 1.2.3合金钢一、合金元素的作用 有明显的强化作用。 提高了淬火钢的回火抗力,可以使钢在调质处理后获得更好的综合机械性能。 增加了碳钢的淬透性。 降低钢淬火的临界冷却速度; 可增加大截面工件的淬透层深度。 使钢获得某些特殊性能,比如,抗腐蚀、耐高温等。
    • 51. 二、合金钢的牌号表示法 编号原则:合金结构钢前面两位数字表示合金钢平均含碳量(单位是0.01%),后面加合金元素符号及其平均含量(单位是1%),当合金元素含量小于1.5%时,表示平均含量的数字可以省略。若元素含量等于或大于1.5%、2.5%……时,则元素符号后的数字为含量的近似值,即为2、3……等。若是高级优质钢,则在钢号末尾加“A”字。
    • 52. 合金工具钢若含碳量大于l%,则表示含碳量的数字可以省略;若含碳量小于1%,应标出含碳量,单位是0.1%。
    • 53. 美国的一般碳钢和合金钢都用4个数字的系列符号来表示。前两位数字表示钢的类型,其中第二位数字通常给出主要合金元素的含量(单位为1%),最后两位数字表示钢的平均含碳量(单位为0.0l%)。 10××标识符号表示普通钢。比如:SAEl010和SAEl030表示普通低碳钢。后两位数字10、30分别表示钢的平均含碳量为0.10%和0.30%。(SAE—美国汽车工程师协会缩写,) 2×××标识符号表示镍合金钢系列。比如SAE2330表示含镍合金元素3%,平均含碳量为0.30%的合金钢。 3×××标识符号表示镍铬合金钢系列。比如SAE3310表示含镍合金元素3.5%,平均含碳量为0.10%的合金钢。 41××标识符号表示铬钼合金钢系列。比如SAE4130表示含钼合金元素1%,平均含碳量为O.30%的合金钢。 43××标识符号表示镍铬钼合金钢系列。比如AISl4340表示含有镍、铬、钼合金元素,平均含碳量为0.40%的合金钢。(AISI—美国钢铁学会缩写) 9×××标识符号表示硅锰合金系列。比如SAE92lO表示含硅合金元素2%,平均含碳量为0.10%的合金钢。
    • 54. 1.2.4航空工业中使用的钢材一、渗碳钢 特点:在合金结构钢表面进行渗碳处理,以达到构件内部材料有较高的强度、韧性和抗疲劳强度,而表面又具有较高的硬度和耐磨性,多用来制造齿轮、传动轴、销子等。 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4wA等都是在航空器上普遍使用的渗碳钢。 二、调质钢 使用最广泛的一类钢材,也是在航空工业中使用最多的合金结构钢。 航空工业中常用的调质钢有: (1)40CrNiMoA:这种钢在调质处理后,综合机械性能好。广泛用于制造高负荷,大尺寸的轴零件。比如,发动机的涡轮轴、曲轴、螺旋桨轴及直升机旋翼轴等。 (2)30CrMnSiA:这种钢经调质处理后,可获得相当高的强度,工艺性能好,价格便宜,在航空工业中使用较多。但它的淬透性不大,韧性也较小。广泛用于制造飞机起落架、连接件、发动机架、大梁、螺栓等。
    • 55. 三、超高强度钢 是指强度极限b>1 470 MPa(150 kgf/mm2)的合金钢。目前在航空工业中使用最广泛的是低合金超高强度钢。 30CrMnSiNi2A钢是航空工业中使用较为广泛的低合金超高强度钢,用于制造受力最大的重要飞机结构件,如起落架、机翼大梁、重要连接件、螺栓等。 这种钢材的缺点是韧性相对较低,对应力集中比较敏感。所以,用这种钢材制成的零构件,在几何形状上都应采取光滑过渡,绝对要避免尖角的出现;构件表面质量要高,不能有压坑、冲眼等缺陷存在;经磨削或校形后,应在200~250℃进行去应力回火;在进行表面处理时,一定要防止氢脆。 4340钢的基础上加入1.6%的Si和少量的V,并略微提高C和Mo的含量,得到300M钢,使韧性得到提高。
    • 56. 四、航空工业中使用的不锈钢 不锈钢:能在一定的介质(如水分、空气、酸、碱、盐等)中,不产生腐蚀或抗蚀性较好的钢。 在钢中加入一定量的铬(Cr)、镍(Ni)等合金元素,可以提高钢的抗腐蚀性能,制成不锈钢。 铬的作用:在钢中加入铬元素的含量达到12%时,可以明显减小碳化物与铁素体之间的电极电位差;若含铬量再增加,达到一定值时,还可以使钢在常温下成为单相铁素体组织。另外,铬还能在钢表面形成起保护作用的氧化膜(Cr2 O3),使钢与周围介质隔离,阻止钢进一步氧化。 镍的作用:在钢中加入一定量的镍元素,可以使钢在常温下成为单相奥氏体组织,避免形成微观腐蚀电池,提高了钢的抗电化学腐蚀的能力。加入锰、氮元素也有类似的作用。 航空工业中常使用的不锈钢有马氏体不锈钢(Cr13)和奥氏体不锈钢(18—8型不锈钢)。
    • 57. 五、航空工业中使用的耐热钢材 飞机上涡扇发动机的零部件大部分都是在高温和极其复杂的载荷条件下工作的。部件还要承受燃气中腐蚀性气体的作用。在这样条件下工作的钢部件常常会发生以下的情况: (1)金属发生高温腐蚀:在高温下金属极容易与周围介质直接进行化学反应生成氧化皮,金属又会在潮湿含有有害物质的空气中发生电化学腐蚀。 既有高温氧化,又有电化学腐蚀,称为高温腐蚀。 (2)金属在高温下发生蠕变:蠕变是金属在一定的温度和应力共同作用下,产生的随时间逐渐增大的塑性变形。金属的蠕变与温度、载荷和时间有着密切的关系。温度和载荷达到一定值,才可能发生蠕变,而且温度越高、载荷越大,时间越长,蠕变量越大。 (3)金属会产生裂纹或断裂。 镍基耐热合金、钼基合金和金属陶瓷具有较高的热稳定性和热强度,可用来制造在高温下工作的零部件,是航空工业中主要使用的耐热材料。
    • 58. 1.3 有色金属有色金属分为轻有色金属和重有色金属。 铝、镁、钛及其合金属于轻有色金属; 铜、锡、铅等属于重有色金属。 轻有色金属所以能够在飞机结构中得到广泛的应用,主要的一个原因是它的强度、刚度虽然还比不上结构钢,但它的比重小,使它的比强度(强度/比重)大,比刚度(弹性模量/比重)与结构钢不相上下。
    • 59. 1.3.1铝和铝合金一、工业纯铝 性能: 工业纯铝是银白色的金属,它的比重仅为钢铁比重的1/3。导电性、导热性很高,热膨胀性较大,在20C时的线膨胀系数约为铁的两倍。 纯铝还有良好的反辐射热性能,受到辐射热时,温度升高慢,常用作涡轮喷气发动机的隔热铝箔。 纯铝在大气中具有良好的耐蚀性。这是因为纯铝与氧有很强的亲合力,生成均匀而致密的Al2O3薄膜,将铝和空气隔绝起来。 纯铝的强度很低,但塑性很高。可以进行冷压加工。 用途:冶炼铝合金,作铝合金表面的包复材料,制作铆钉、铝箔,代替铜做导电材料。 纯铝牌号为1×××。1050A(纯度达99.50%)、1035、1200。
    • 60. 二、铝合金 1.铝合金分类 变形铝合金:具有良好的塑性,适于变形加工。 铸造铝合金:液态时流动性较好,适于铸造成形。 变形铝合金分为不能热处理强化和能热处理强化两种。 不能热处理强化:在加热和冷却过程中,固溶体不发生成分的改变,不能通过热处理的手段来强化 能热处理强化:在加热和冷却过程中,发生组织变化,会析出强化相,可以通过热处理的手段进行强化。
    • 61. 2.铝合金的热处理 (1)退火 变形铝合金的退火主要是再结晶退火(中间退火)。 通常是加热到350~450℃之间,保温后,在空气中冷却。 目的是恢复塑性,便于继续加工。 对于不能用热处理强化的铝合金,冷变形加工后,要在保持加工硬化效果的基础上消除内应力,可以进行“去应力退火”。 “去应力退火”的加热温度在再结晶退火的温度之下,通常是1 80~300℃,保温后,在空气中冷却。 目的是消除内应力,适当增加塑性。
    • 62. (2)淬火 目的:得到过饱和的固溶体,提高强度和硬度。也称为固溶处理。 工艺:加热到一定临界温度以上,保温一定时间,再将铝合金从高温迅速(水冷)冷却到室温,合金元素来不及析出,于是就形成了过饱和的固溶体。 这种固溶体强度比退火状态略高一些,而塑性仍然很好。所以淬火状态的铝合金仍可以进行冷变形加工。
    • 63. (3)时效处理 时效:淬火后的铝合金,在一定温度下,随着时间的增长,强度和硬度得到提高的现象。 铝合金的热处理强化:固溶强化+时效强化,而且时效强化的效果最为显著。 铝合金的时效分为自然时效和人工时效两种。 自然时效就是把淬火后的铝合金放在室温下进行时效(时效温度约为20℃)。这种时效进行较慢,要经4~5天后,强度可接近最高值。自然时效在开头的几个小时内,铝合金的强度无明显增加,称为“孕育期”。生产上常利用孕育期对铝合金进行各种冷变形加工,或对淬火的变形进行校正。 人工时效就是将淬火后的铝合金再加热到一定的温度进行时效。人工时效进程较快,时效温度越高,时效过程进行的越快,强度值越低。
    • 64. 冷冻储藏:若将淬火后的铝合金放在较低温度下,过饱和固溶体中的合金元素原子活动能力极小,所以,时效进行的极慢,铝合金的强度随时间增加几乎不发生变化。 如果从冷藏中取出的零件因故没有在孕育期内完成加工,零件在室温下已经开始了自然时效,那么将其放回冷藏室之前,必须进行回归处理。 回归处理:就是将已时效硬化的零件重新加热到200~270 oC,短时间保温,然后在水中急冷。 每次回归处理后,其强度都有所下降,所以,一般回归处理次数以3~4次为限
    • 65. (4)铝合金状态代号
    • 66. 3.变形铝合金 按照性能和用途不同,变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金四类。 国际变形铝合金的标记法中,铝锰合金(3000系列)和铝镁合金(5000系列)是防锈铝合金,铝铜合金(2000系列)是硬铝合金,铝锌合金(7000系列)是超硬铝合金,而铝镁硅合金(6000系列)是锻铝合金。
    • 67. (1)防锈铝合金(3×××、5×××系列) 铝锰合金和铝镁合金具有很高的抗蚀性,称为防锈铝合金。它们都属于不能热处理强化的铝合金,为了提高强度,应采用加工硬化。 常用的铝锰防锈铝合金是21号防锈铝,牌号为3A21。它的抗蚀性很高,接近纯铝;强度不高,塑性好,焊接性能好,切削加工性能差。在飞机上主要用来制造油箱、油管、铆钉等。 常用的铝镁防锈铝合金是5A02、5A06和5805。它具有较高的抗蚀性、良好的塑性和焊接性,这些都与3A21接近。由于镁的固溶强化效果比较明显,所以它的强度比3A21高,而且比重小、抗疲劳性能好,因而在飞机上用来制造油箱、油管、铆钉和中等强度的冷压、焊接结构件。
    • 68. (2)硬铝(2×××系列) 铜和镁是硬铝中主要的合金元素。 性能:硬铝合金比强度高的合金,而且韧性和抗疲劳性能较好,特别是自然时效状态比人工时效状态抗疲劳性能更好,断裂韧性更高。它又具有良好的塑性,可以进行压力加工。另外,淬火后有一个时效孕育期,给变形加工带来一些便利。 硬铝合金在使用中必须注意的一些问题: ①抗蚀性能差,对应力腐蚀、晶间腐蚀都比较敏感。因此,使用时应进行防腐保护。 ②熔焊性能差。熔焊时有形成结晶裂缝的倾向。大都采用铆接。 ③淬火温度范围很窄。误差大约在5~10℃范围内。控制温度比较困难。 ④淬火处理时,在要求的温度下保温热透后,从炉中到淬火介质的转移时间不能过长 (一般不超过15 s),以求得到细化的晶粒,否则,会降低材料抗晶间腐蚀的能力。
    • 69. 飞机结构上常用的硬铝合金有: 2024硬铝:含有较多的铜镁合金元素,具有较高的强度和硬度。热处理方法是淬火后在室温下经4~5天自然时效,可得到较高的抗拉强度和韧性;淬火后,人工时效可得到较高的屈服强度和耐蚀性能。淬火后,在室温下有1.5 h孕育期,可在这段时间内进行变形加工。 2017硬铝:含有中等数量的铜镁合金元素,硬度、强度比2024低,但塑性高,易于进行冷压成型。热处理方法是淬火后在室温下自然时效。孕育期约为2 h。 (3)超硬铝(7075) 、 在硬铝基础上加入金属锌Zn,形成的铝锌镁铜合金叫超硬铝合金。它属于高强度变形铝合金。
    • 70. 7075超硬铝合金在T6热处理状态具有最高强度,但断裂韧性较低,抗应力腐蚀能力差,缺口敏感性也较大。在T73热处理状态下,抗拉强度和屈服强度均比T6状态低,但具有耐应力腐蚀的性能和比较高的断裂韧性。为了防止腐蚀,7075材料的零件表面应有保护层。 与2024硬铝合金相比,7075超硬铝的强度极限和屈服极限都比较高,但它的断裂韧性和抗疲劳性能并没有随着强度性能改善而成比例的提高,缺口敏感性也较大。 在飞机结构中,以承受拉应力为主,要求有较好抗疲劳性能的机翼下翼面的长桁、蒙皮和机身蒙皮一般都采用2024材料制成。 7075强度高,而且屈服极限高,可以提高结构件承压失稳的能力。所以,承受载荷较大。 7075合金可以用来制造飞机上重要受力构件,比如,机翼大梁、机翼上翼面的蒙皮、桁条,机身的桁条、隔框、翼肋、主要接头等。
    • 71. 4.锻造铝合金 锻造铝合金是铝一镁一硅系列铝合金,可以通过热处理进行强化。 主要特点:加热时有良好的塑性,便于进行锻造成型。它的硬度与硬铝相近,具有良好的耐腐蚀性。 这类铝合金热处理方法是淬火后在室温下自然时效,得到的合金具有很好的耐腐蚀性能。 如果淬火后进行人工时效,可以提高合金的强度性能,但会使合金产生晶间腐蚀的倾向。 锻造合金在飞机上多用来制造对加工塑性和耐蚀性要求较高的锻件,如发动机一些零件、直升机桨叶、摇臂、框架、接头等。
    • 72. 5.铸造铝合金 按照化学成分不同,铸造铝合金可分为Al—Si系、Al—Cu系、Al—Mg系、Al—Zn系四大类。其中前三种应用比较广泛。 铸造铝合金代号是ZL加三位数字。第一位数字1、2、3、4分别代表Al—Si、Al—Cu、Al—Mg和Al—Zn,后两位数字是合金的顺序号。比如ZLl02代表顺序号为2的Al—Si系铸造铝合金。 铸造铝合金的特点是铸造性能好,可进行各种成型铸造。它的优点是比重小,比强度较高,有较高的抗蚀性和耐热性。不足之处是容易吸收气体形成气孔,组织较粗大,一般的说,塑性、韧性不如变形铝合金。这种合金主要用来制造形状复杂、受力较小的零件,如油泵等附件壳体和仪表零件、发动机机匣和附件壳体等。
    • 73. 1.3.2钛和钛合金 一、纯钛 纯钛是银白色金属,它的比重只有钢的57%左右。抗蚀能力很强,在550℃以下,钛表面形成致密氧化膜,能阻止内部金属进一步氧化。它的抗海水及其蒸气腐蚀的能力很强,甚至超过不锈钢。对硝酸、稀硫酸、碱溶液都能抗蚀。但易受氢氟酸、浓硫酸的腐蚀,尤其是氢氟酸对钛有强烈的损坏作用。 纯钛的强度不高,塑性好。但杂质氧、氮、氢、碳、硅、铁等会使钛的强度大大提高,而塑性有所降低。其中氢的影响最严重,含量超过0.015%,便引起显著的氢脆。 去氢:钛中的氢可以通过在真空中加热进行排除。 钛的工艺性能差,难以进行切削加工,在热加工中,又容易吸收氧、氢、氮等杂质,使强度增加,塑性降低,压力加工困难,并易出现裂纹。所以钛的生产成本较高。
    • 74. 二、钛合金 钛合金的比重较小,而强度几乎接近合金钢,抗蚀性又不低于不锈钢。在400℃以下,机械性能变化很小,耐热性大大超过铝合金。 航空工业中使用较多的钛合金是TC4合金。这类合金属于钛铝钒系合金,它具有较好的综合机械性能,在400℃下组织稳定,有较高的热强度。合金的热塑性良好,适用于锻造和锻压成型,可用多种方法焊接,接头强度可达基体强度的90%。
    • 75. 1.4 复合材料和非金屠材料1.4.1复合材料和蜂窝夹层结构 一、复合材料 1.复合材料概述 定义:由两种或两种以上的组分材料组成,各组分材料基本上仍保持其原来各自的物理和化学性质,彼此之间有明显界面的材料。 组分材料中,有一种材料起增强(韧)作用,称为增强(韧)材料,一般都是强度、刚度高的材料,形状为尺寸细小的纤维或片状、颗粒状等;有一种材料起粘接作用,称为基体材料,一般都为匀质材料。 组成复合材料的组元有增强(韧)体、基体和界面层。 增强(韧)体是承载的组元,均匀地分布在基体中,起增强(韧)作用; 基体是起着连接增强(韧)体,使复合材料获得一定的形状,并保护增强(韧)体的作用; 界面层是包覆在增强体外面的涂层,其功能是传力,同时防止基体对增强(韧)体的损伤,并调节基体与增强(韧)体之间的物理、化学结合状态,确保增强(韧)体作用的发挥。 复合材料不但是多组元的材料,且是各向异性的材料。
    • 76. 2.基体、增强体和界面层 (1)基体 基体是复合材料中的连续组元,它的作用是使复合材料成型,粘接、保护增强体,承受外载荷时,基体承受应力的作用不大,而是将外载荷产生的应力传递给增强体。 由于基体和增强体表面之间的物理、化学作用,在增强体的表面形成了复合材料的第三组元——界面层。基体的性质对界面层的结构和性能起着决定性的作用。因此,在设计和制造复合材料时,要选择能与增强体相匹配的、高性能的基体材料,才能得到预期性能的复合材料。 复合材料的基体材料可选用:高分子的聚合物基(环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂、聚硒亚胺树脂等)、金属基(铝、钛等金属和钛铝、镍铝等金属间化合物)、无机非金属基(陶瓷基、碳基等)。
    • 77. (2)增强(韧)体 增强(韧)体是均布在基体中,对基体起到增强(韧)作用的不连续组元。它的形状可以是颗粒状、片状、纤维状或织物状等。 研究、应用最广的是纤维状增强(韧)体——增强纤维。特别是结构复合材料,主要是用增强纤维对基体进行增强(韧)作用。 增强纤维的作用是承受载荷,对基体起到增强、韧化的作用。 增强纤维材料的强度和弹性模量都要比基体材料的数值高。 基体中增强纤维的含量必须达到要求,才能使增强纤维对基体起到增强、增韧的作用。 增强纤维的分布情况对复合材料的性能也有影响,比如,在与增强纤维排列垂直方向上,复合材料的强度较低。 增强纤维的材料有:玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等。
    • 78. (3)界面层 界面层是由于基体和增强纤维表面之间的物理、化学作用形成的结合层。 作用:是在基体和增强纤维之间提供适当的结合力,使增强纤维承受载荷引起的应力对基体起到增强、增韧的作用。 界面层的结构和结合强度取决于基体的性能以及增强纤维的表面状况。在设计制造复合材料时,除了要选用与增强纤维相匹配的高性能的基体材料外,还要对增强纤维的表面进行一些处理,增加表面的粗糙度,以得到符合要求的界面层。 基体材料和增强纤维之间要有相容性,即两者有相匹配的膨胀系数,两者之间不起化学反应。
    • 79. 3.复合材料分类 按照复合材料所选用的基体材料不同,可将复合材料分为金属基和非金属基两大类。