飛機維修工程呂曉靜63課件

第二章航空材料飛機維修工程學院呂曉靜點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本C919飛機采用我國自主研發(fā)制造的先進航空材料碳纖維復合材料、第三代鋁鋰合金。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1金屬材料的基本概述2.2碳鋼和合金鋼2.3有色金屬2.4復合材料和非金屬材料第二章航空材料點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1金屬材料的基本概述金屬材料是航空工業(yè)的基本材料。飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)選用輕質(zhì)、高強度和高模量的材料。綜合考慮材料的韌性、疲勞和斷裂特性、耐蝕性以及材料的市場價格。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.1金屬材料的基本性能純金屬由單一金屬元素組成的合金由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)，如黃銅、碳鋼等。金屬按其成分可分為：純金屬和合金2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.1金屬材料的基本性能物理性能：顏色、比重、密度、熔點、導電性、導熱性、熱膨脹性和磁性等化學性能：抗腐蝕性、熱安定性等機械性能：強度、塑性、硬度、韌性、抗疲勞性等工藝性能：鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性、熱處理性等2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本物理性能(1)顏色：根據(jù)顏色可將金屬分為黑色金屬和有色金屬。鐵、錳、鉻是黑色金屬，其余的金屬都是有色金屬。(2)比重：比重是單位體積金屬的重量（MPa／m），用符號

表示。根據(jù)比重可以將金屬分為輕金屬和重金屬兩大類。(3)熔點：金屬加熱時由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時的溫度。根據(jù)熔點的高低，又可將金屬分為易熔金屬和難熔金屬。（700℃）(4)導電性：金屬傳導電流的能力。金屬的導電性用金屬的電阻率(

電)來表示，單位是

·mm2／m。

越大，金屬的導電性越差。銀的導電性最好，銅和鋁次之。化學性能機械性能工藝性能2.1.1金屬材料的基本性能2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.1金屬材料的基本性能

(5)導熱性：金屬傳導熱量的能力。金屬的導熱性常用熱導率(導熱系數(shù)

)來表示，常用的單位是W／(m·K)。導熱系數(shù)越大，金屬的導熱性越好。一般情況下金屬的導熱能力要比非金屬大得多。金屬的導電性和導熱性有密切的關(guān)系，導電性好的金屬導熱性也好。(6)熱膨脹性：金屬在溫度升高時體積脹大的性質(zhì)。通常用線膨脹系數(shù)(

1)來表示，單位是K-1。線膨脹系數(shù)越大，熱膨脹性就越大。

飛機結(jié)構(gòu)鋁合金的線膨脹系數(shù)大約為合金鋼的兩倍，這是造成飛機軟操縱系統(tǒng)鋼索張力隨溫度變化的主要原因。

(7)磁性：金屬被磁場磁化或吸引的性能。磁性最強的金屬是鐵、鎳、鈷。物理性能化學性能機械性能工藝性能2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.1金屬材料的基本性能金屬材料的化學穩(wěn)定性主要影響到飛機結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力。而腐蝕就是金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學和電化學作用而遭受破壞的現(xiàn)象。金屬的化學穩(wěn)定性不同，抵抗腐蝕的能力也不同。金銀鎳鉻等金屬抵抗腐蝕的能力較強，而鎂、鐵等金屬抵抗腐蝕的能力較差。物理性能化學性能機械性能工藝性能2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本物理性能機械性能化學性能工藝性能3.2.1金屬材料的基本性能金屬在載荷作用下抵抗破壞和變形的能力。

飛機結(jié)構(gòu)在使用中要承受各種載荷，所以，金屬材料的機械性能是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計和選擇材料的重要依據(jù)。2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本物理性能工藝性能機械性能化學性能3.2.1金屬材料的基本性能金屬接受工藝方法加工的能力。

(1)鑄造性：將熔化的金屬澆鑄到鑄型中制造金屬零件的方法叫鑄造。金屬的鑄造性是指金屬是否適合鑄造的性質(zhì)。鑄造性好通常是指金屬熔化后流動性好，吸氣性小，熱裂傾向小，冷凝時收縮性小等性質(zhì)。鑄鐵、青銅等具有良好的鑄造性。(2)鍛造性：金屬的鍛造性是指金屬在加熱狀態(tài)下接受壓力加工的能力。（金屬在冷、熱狀態(tài)下，由于外力作用產(chǎn)生變形而得到所需形狀和尺寸的加工方法，稱為壓力加工。碾壓、沖壓、模鍛、自由鍛等都屬于壓力加工。）金屬的塑性越大，變形的抗力越小，鍛造性就越好。常用的金屬中，低碳鋼、純銅等的鍛造性比較好，而鑄鐵不能鍛造。2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本3.2.1金屬材料的基本性能(3)焊接性：指在采用一定的焊接工藝方法、焊接材料、工藝參數(shù)等條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接工藝一般分為熔焊和釬焊兩大類：①熔焊：將兩個工件的結(jié)合部位加熱到熔化狀態(tài)，冷卻后形成牢固的接頭，使兩個工件焊接成為一個整體。一般還要在結(jié)合部位另加填充金屬。熔焊一般又分為電焊和氣焊。②釬焊：將兩個工件的結(jié)合部位和作為填充金屬的釬料進行適當?shù)募訜?，釬料的熔點比工件金屬的熔點低，在工件金屬還沒有熔化的情況下，將已熔化的釬料填充到工件之間，與固態(tài)的工件金屬相互溶解和擴散，釬料凝固后將兩個工件焊接在一起。2.1金屬材料的基本概述物理性能工藝性能機械性能化學性能點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本3.2.1金屬材料的基本性能(4)切削加工性：用切削工具進行加工時，金屬表現(xiàn)出來的性能叫做金屬的切削加工性能。

金屬具有較好的切削加工性通常是指切削加工時，切削力小，切削碎屑容易脫落，切削工具不易磨損，加工后容易得到光潔度較高的加工表面。材料的切削加工性能主要決定于它們的物理性能和機械性能。強度高、硬度高的材料，塑性好的材料和導熱性能差的材料，其切削加工性能都比較差。2.1金屬材料的基本概述物理性能工藝性能機械性能化學性能點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能機械性能指標：強度、塑性、硬度、韌性和抗疲勞性能等。金屬的強度和塑性是通過拉力試驗來測定。拉力試樣通常有圓形截面的棒狀和矩形截面的板狀，在試件中間一段截面均勻的部分是試驗段，其長度用l0表示，稱為標距。強度：金屬在載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力叫強度。塑性：金屬在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力叫塑性。2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本低碳鋼的拉伸試驗：應(yīng)力--應(yīng)變曲線（

--圖）材料拉伸時的力學性能2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本3.3.2金屬材料的機械性能

把試樣承受的載荷P除以試樣的原始橫截面積F0，則得到試樣所承受的拉應(yīng)力

，即

把試樣的伸長量△l除以試件原始的標距長度l0，則得到試樣的相對伸長一應(yīng)變

，即2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能強度指標：彈性模量（E）彈性極限（σe）屈服極限（σs或σ0.2）強度極限（σb）金屬在載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力叫強度。塑性指標：金屬在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力叫塑性。伸長率（δ）

斷面收縮率（ψ）

2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能彈性模量（E）強度指標

彈性模量E是引起材料發(fā)生單位彈性應(yīng)變時所需要的應(yīng)力，它表示了金屬材料抵抗彈性變形的能力。材料的彈性模量E越大，在一定應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的彈性應(yīng)變越小，材料的剛度就越大。指金屬材料在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即E=σ/ε

(MPa)

在材料彈性階段，也就是op直線段所表示的階段，E就是該直線段的斜率，等于常數(shù)。金屬材料的彈性模量隨著溫度的升高而降低。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能彈性極限（σe）強度指標材料保持彈性變形的最大應(yīng)力值稱為彈性極限，用σe表示

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能屈服極限（σs或σ0.2）強度指標從拉伸示意圖上看，曲線上出現(xiàn)一個小平臺的這一階段稱為屈服段，試樣屈服時的應(yīng)力稱為材料的屈服極限，也稱為屈服強度σs

有些常用金屬的拉伸曲線上沒有明顯的屈服段，因此規(guī)定，試樣標距部分殘余相對伸長達到原標距長度0.2％時的應(yīng)力為屈服極限，也稱條件屈服極限，用σ0.2表示。屈服極限反映了金屬材料對微量塑性變形的抵抗能力，對于在使用中，不允許發(fā)生微小塑性變形的結(jié)構(gòu)件來說，材料的屈服極限是很重要的性能指標。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能強度極限（σb）強度指標材料在斷裂時承受的最大應(yīng)力稱為強度極限，用σb表示

σb=Pb

/F0

(MPa)材料的強度極限σb就是材料拉斷時的強度，它表示材料抵抗拉伸斷裂的能力，也稱為拉伸強度，是評定金屬材料強度的重要指標之一。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能伸長率（δ）塑性指標試樣拉斷后，標距長度增長量與原始標距長度之比稱為伸長率δ

δ=（lk-lo）∕lo×100%對于塑性材料，拉斷前會產(chǎn)生明顯的頸縮現(xiàn)象，在頸縮部位產(chǎn)生較大的局部伸長。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能斷面收縮率（ψ）

塑性指標

試樣被拉斷后，拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比稱為斷面收縮率ψ

。即

ψ=（Fo-Fk）∕Fo×100%

金屬材料的伸長率δ和斷面收縮率ψ越大，材料的塑性越好。

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能機械性能指標：強度、塑性、硬度、韌性和抗疲勞性能等。布氏硬度法和洛氏硬度法硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標。2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能共同點：用一定的載荷將具有一定幾何形狀的壓頭壓入被測試金屬的表面，根據(jù)被壓入的程度來測定金屬材料的硬度值。2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能布氏硬度計洛氏硬度計2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能應(yīng)用范圍布氏硬度（HB）：壓痕面積大，能反映出較大范圍內(nèi)被測試金屬的平均硬度，適用于組織比較粗大且不均勻的材料，但不宜測試成品件或薄金屬件的硬度，也不能測試硬度高于HB450的金屬材料。洛氏硬度（HR）：壓痕小，可以在制成品或較薄的金屬材料上進行測試；而且，從較軟材料到較硬材料，測試范圍比較廣泛。但對組織比較粗大且不均勻的材料，測量結(jié)果不準確。2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能

布氏硬度和金屬材料的強度極限之間存在著近似的正比關(guān)系，硬度值大，材料的強度極限也大。通過布氏硬度可以近似確定材料強度極限，并可推斷材料的熱處理狀態(tài)。對于硬度較小的材料，容易被劃傷、碰傷和磨損，在維修工作中，應(yīng)注意保護。金屬材料的硬度對材料的機械加工性能也有影響。根據(jù)金屬材料的硬度值可估計出材料的近似強度極限和耐磨性。2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能機械性能指標：強度、塑性、硬度、韌性和抗疲勞性能等。韌性是指金屬試樣斷裂時，吸收能量的能力。韌性好的金屬材料，脆性就小，斷裂時，吸收能量較多，不易發(fā)生脆性斷裂。沖擊韌性斷裂韌性2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能

金屬材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力稱為沖擊韌性。用沖擊韌性值

k來表示，并需要進行沖擊試驗來確定。沖擊韌性值

k就是沖斷試樣所消耗能量和試樣斷裂處橫截面積的比值，單位是J/cm2。沖擊韌性

勢能→動能→對試件的沖擊載荷。沖擊試驗來測定

k

GH1-GH2=Ak

(J)

Ak—擺錘沖斷試樣消耗的功

k

=Ak/S

(J/cm2)S—試樣缺口處橫截面積2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能

勢能→動能→對試件的沖擊載荷。沖擊試驗來測定

k

k可用來評定材料韌性和脆性程度。

k低的材料稱為脆性材料，在斷裂前沒有明顯的塑性變形，吸收能量少，抵抗沖擊載荷的能力低；

k高的材料稱為韌性材料,在斷裂前有明顯的塑性變形，吸收能量多，抵抗沖擊載荷的能力強。

對于在使用中承受較大沖擊載荷的構(gòu)件來說，材料的沖擊韌性是很重要的性能指標。如起落架結(jié)構(gòu)中的承力構(gòu)件就采用強度高、韌性好的合金鋼來制造。2.1金屬材料的基本概述沖擊韌性點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能低應(yīng)力脆斷：就是在工作應(yīng)力低于或遠低于材料的屈服極限時發(fā)生的脆性斷裂。多發(fā)生在高強度合金鋼材料結(jié)構(gòu)件和大型焊接結(jié)構(gòu)中。

低應(yīng)力脆斷是結(jié)構(gòu)件中原有缺陷形成的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展而引起的。所以，裂紋擴展難易，也就是裂紋擴展所需的能量大小，就成為判定材料是否易于斷裂的一個重要指標。指金屬材料對裂紋失穩(wěn)擴展而引起的低應(yīng)力脆斷的抵抗能力。2.1金屬材料的基本概述沖擊韌性點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能指金屬材料對裂紋失穩(wěn)擴展而引起的低應(yīng)力脆斷的抵抗能力。在工程結(jié)構(gòu)上，I型裂紋是最常見的、最危險的裂紋。構(gòu)件承受垂直于裂紋面的拉力作用，裂紋表面的相對位移沿著自身平面的法線方向。2.1金屬材料的基本概述斷裂韌性點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能指金屬材料對裂紋失穩(wěn)擴展而引起的低應(yīng)力脆斷的抵抗能力。對于無限大厚板的中央穿透I型裂紋(張開型裂紋)的應(yīng)力強度因子用KI表示。

式中：

——名義應(yīng)力；a

——裂紋長度的一半決定構(gòu)件中裂紋是否發(fā)生失穩(wěn)擴展不是承力構(gòu)件的平均應(yīng)力，而是裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力的大小。為了研究裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力情況，引進了一個表示裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力場強弱的因子，稱為應(yīng)力強度因子。2.1金屬材料的基本概述斷裂韌性點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能

式中：

——名義應(yīng)力；a

——裂紋長度的一半應(yīng)力強度因子：表示裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力場強弱的因子。隨著

增加，KI也增加，當

增加到某一個臨界值

c時，裂紋會突然失穩(wěn)擴展，使構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂。這時KI的臨界值就稱為臨界應(yīng)力強度因子，用KIc表示，也稱為金屬材料的平面應(yīng)變斷裂韌性。對于無限大厚板的中央穿透I型裂紋(張開型裂紋)的應(yīng)力強度因子KI2.1金屬材料的基本概述斷裂韌性點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能

對于平面應(yīng)變狀態(tài)，I型裂紋發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴展的條件是：

KI是衡量裂紋尖端應(yīng)力場強弱的一個物理量。它與外載荷大小，裂紋情況，構(gòu)件結(jié)構(gòu)幾何形狀和尺寸有關(guān)。與構(gòu)件材料無關(guān)。

KIc是材料平面應(yīng)變斷裂韌性，它只與材料有關(guān)，是反映材料抵抗脆性斷裂能力的一個重要的物理量。對于一定的材料，在一定工作環(huán)境下，它基本上是一個常數(shù)。2.1金屬材料的基本概述斷裂韌性點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能

材料的斷裂韌性KIc

會隨著材料屈服極限的提高而降低。所以，在航空材料的選用過程中，不能一味追求材料的高強度，應(yīng)在滿足斷裂韌性需要的情況下，提高材料的靜強度（σs、σb）性能。2.1金屬材料的基本概述斷裂韌性2.1.2金屬材料的機械性能點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本金屬材料在交變載荷作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞。金屬材料抵抗疲勞破壞的能力稱為抗疲勞性能。交變載荷和交變應(yīng)力：

交變載荷是指載荷的大小和方向隨時間作周期性或者不規(guī)則改變的載荷。在交變載荷作用下，結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能在交變載荷作用下，結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。交變載荷和交變應(yīng)力應(yīng)力幅值（Sa）：應(yīng)力循環(huán)中的變化分量

最大應(yīng)力（Smax）最小應(yīng)力（Smin）平均應(yīng)力（Sm）：應(yīng)力循環(huán)中的靜態(tài)分量2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能應(yīng)力循環(huán)的性質(zhì)由平均應(yīng)力Sm和應(yīng)力幅值Sa所決定。應(yīng)力循環(huán)的特征由應(yīng)力比R來表示：R=Smin/Smax2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能單向循環(huán)：應(yīng)力僅改變大小，不改變符號(方向)。R≥0雙向循環(huán)：應(yīng)力的大小和方向都發(fā)生變化。R<0交變應(yīng)力分為三種類型：R=-1時，稱為對稱循環(huán)；R=0時，稱為脈動循環(huán)；R為其它任意值時，稱為非對稱循環(huán)。交變載荷和交變應(yīng)力應(yīng)力比

R=Smin/Smax2.1金屬材料的基本概述點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本2.1.2金屬材料的機械性能S－N曲線反映材料交變應(yīng)力大小S與其疲勞壽命N之間的關(guān)系表征某種材料的抗疲勞破壞的特性，以及估計結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

利用若干個標準試件，在一定的平均應(yīng)力Sm（或一定的循環(huán)特征R），不同的應(yīng)力幅Sa（或不同的最大應(yīng)力Smax）下進行疲勞試驗，