飞机结构—第五章-飞机结构材料

飞机结构第五章飞机结构材料第五章飞机结构材料——§1材料选择§1材料选择1.性能方面的考虑•比强度；•比刚度；•腐蚀和脆化现象；•疲劳；•裂纹扩展特性和断裂韧性；•环境稳定性。2.某些特殊部位尚应考虑•腐蚀与磨损；•与其他材料的兼容；•磨蚀；•温度特性和电位特性。第五章飞机结构材料——§1材料选择3.经济性的考虑•可获得性和易生产性；•材料的成本；•制造特性（包括从原材料到最终成品件的各个生产环节的制造特性）；第五章飞机结构材料——§2合金结构材料§2合金结构材料第五章飞机结构材料——§2合金结构材料一、铝合金1.特点较高的比强度(σb/ρ)、比刚度(E/ρ)、疲劳强度，工艺性能好。2.分类•变形铝合金（借助变形生产板材、型材、冲压件、锻件）防锈铝(LF)、硬铝(LY)、超硬铝(LC)、锻铝(LD)、铝锂合金。•铸造铝合金（通过铸造成型）主要合金元素：Si，Cu，Mg，Zn，稀土等。Al-Si系合金占绝大多数(常称为硅铝明)。第五章飞机结构材料——§2合金结构材料一、铝合金3.应用铸造铝合金：用于铸造外形复杂、使用温度高（可达200°C～300°C）的零件。莱特兄弟的“飞行者一号”：发动机机体、曲轴箱。早期应用于不甚重要的二级构件，如把手、托盘、支架、内舱门上世纪80年代逐步应用于机身关键受力件：如boeing757整体铸造电子设备检修门。F-16进气道唇口铸件：1448*533*356(mm)第五章飞机结构材料——§2合金结构材料一、铝合金3.应用第五章飞机结构材料——§2合金结构材料一、铝合金3.应用第五章飞机结构材料——§2合金结构材料一、铝合金3.应用第五章飞机结构材料——§2合金结构材料二、镁合金1.特点优点：密度低，仅为铝合金的2/3，减震性能好，切削加工性能好，可焊接，铸造质量高，优良的导热、导电、电磁屏蔽性能。缺点：耐蚀性差，常温延展性不够，熔点低。2.分类•变形镁合金MB8、MB15、MB25等。•MB8—镁-锰系，不可热处理强化，切削加工及焊接性能良好。•MB15—镁-锌-锆系，可热处理强化，高强度，切削加工性能良好，但焊接性能较差。第五章飞机结构材料——§2合金结构材料二、镁合金2.分类•变形镁合金MB25—镁-锌-锆-钇系，高强度变形镁合金，通常不经热处理。•铸造镁合金）ZM5和ZM6等。第五章飞机结构材料——§2合金结构材料二、镁合金3.应用第五章飞机结构材料——§2合金结构材料二、镁合金3.应用镁合金在海洋气候环境下抗腐蚀性能差，使其在航空产品上的应用受到限制。国外在镁合金的研究与应用上，一直是致力于提高镁合金的抗蚀性能，主要是采取提高镁合金的纯度的途径，如对航空上应用较多的AZ91镁合金，采用提高合金纯度，最大程度降低合金中重金属杂质铜、镍、铁的含量。研究出适宜压铸的AZ91D和适宜砂型、金属型和溶模铸造的AZ91E高纯镁合金。AZ91E铸镁合金的抗蚀性能已接近欧美国家航空上广泛应用的A357铸造铝合金的抗蚀性能。第五章飞机结构材料——§2合金结构材料三、钛及钛合金1.特点优点：很高的比强度和热强性，耐蚀性好（表面氧化膜可以稳定到550°C）。缺点：切削、热加工性能差，冷加工性能差，硬度低，耐磨性差。2.分类•纯钛（工业纯钛）熔点1667度，密度4.5，强度与低碳钢相似，可直接应用于航空产品，如制造在350°C以下工作的飞机构件，如超音速飞机蒙皮等。•钛合金α型（TA）、β型（TB）、（α+β）型（TC）钛合金；铸造钛合金(ZT)。第五章飞机结构材料——§2合金结构材料三、钛及钛合金3.应用第五章飞机结构材料——§2合金结构材料三、钛及钛合金3.应用钛产量中约80%用于航空和宇航工业。B-1轰炸机的机体结构材料中，钛合金约占21%，主要用于制造机身、机翼、蒙皮和承力构件。F-15战斗机的机体结构材料，钛合金用量达7000kg，约占结构重量的34%。波音757客机的结构件，钛合金约占5%，用量达3640kg。第五章飞机结构材料——§2合金结构材料三、钛及钛合金3.应用发动机构件：AlloyC(Ti-35V-15Cr)阻燃钛合金应用于F/A-22动力上的高压压气机机匣、导向叶片和矢量尾喷管受力构件：钛基复合材料应用于F16主起落架下部后撑杆，替代300M钢，相比减重40%。大型构件：F/A-22的中机身有四个很大的Ti-6Al-4V整体式隔框，其中最大的“583”隔框锻件重2770kg，投影面积5.53平米，是迄今为止最大的航空用钛合金锻件。第五章飞机结构材料——§2合金结构材料四、合金结构钢航空工业使用的结构钢主要是低合金结构钢，即合金元素在5%以内的合金钢。分类及应用•表面硬化钢(低碳钢)渗碳钢、渗氮钢、碳氮共渗钢。如12CrNi3A，18Cr2Ni4WA等。通过表面热处理得到坚硬耐磨的表面层和适当韧性的心部组织，用于制造轴、重要齿轮、活塞等零件。第五章飞机结构材料——§2合金结构材料四、合金结构钢分类及应用•低合金高强度钢具有良好的综合力学性能，如高的屈强比和塑性，较低的脆性转变温度和高的疲劳性能，热成形形、切削加工性较好；如18Mn2CrMoBA、40CrA、30CrMnSiA等。用于制造强度高、韧性好的零件。第五章飞机结构材料——§2合金结构材料四、合金结构钢分类及应用•超高强度钢抗拉强度大于1400Mpa的钢。常用的有：30CrMnSiNi2A，300M钢等。用于制造重要的受力构件，如机翼主梁、对接接头、起落架等。第五章飞机结构材料——§3复合材料§3复合材料由两种或两种以上分别称为基体和增强体组分材料组成的材料。1.特点优点：很高的比强度和比刚度，良好的抗疲劳性和破断安全性，对应力集中敏感度低，减振性好，很好的耐蚀性和无线电透波性，成型工艺性好。缺点：各向异性，层间强度低，机械连接复杂，对冲击损伤敏感；对湿/热环境较敏感。第五章飞机结构材料——§3复合材料2.分类分类方法较多，且不统一，•按基体类型分：树脂基和金属基复合材料，其中树脂基复合材料用量最大。•按增强材料种类和形状分：纤维增强、颗粒增强、层叠增强等复合材料。•纤维增强复合材料：以纤维为增强材料，以树脂、金属或其他物质为基体构成，常用纤维有玻璃纤维、碳纤维和硼纤维等。•颗粒增强复合材料：由微小粒状金属粉或陶瓷等物质和基体构成，基体可以是金属或树脂。•层叠增强复合材料：由两层或多层材料构成。第五章飞机结构材料——§3复合材料2.分类•按性能分：结构复合材料和功能复合材料。•结构复合材料：指用于结构零件的复合材料，可以是金属基或树脂基。多以纤维增强的树脂基复合材料为主。•功能复合材料：指具有某种物理性能的复合材料，如将有关金属细粒复合于塑料中，可使这种细粒复合塑料具有导电、导热、导磁等性能。第五章飞机结构材料——§3复合材料3.应用航空结构材料性能第五章飞机结构材料——§3复合材料3.应用美国于六十年代开始复合材料的发展阶段；七十年代初首先在军机上开发应用。就其发展大致可分为三个阶段：•第一阶段，应用于受载不大的构件，如各类操纵面：舵面、副翼、扰流片等，口盖、阻力板、起落架舱门、发动机罩和其他次结构上。•第二阶段，应用于承力大的结构和主结构上，如安定面、全动平尾和主受力结构机翼上。•第三阶段，进一步应用于复杂受力结构，如机身、中央翼盒等。第五章飞机结构材料——§3复合材料3.应用某军用机结构材料第五章飞机结构材料——§3复合材料3.应用某客机结构材料第五章飞机结构材料——§3复合材料3.应用重量百分比复合材料铝合金钛合金钢第1代Boeing7070.2第2代Boeing747181413A300576413第3代Boeing767380214Boeing757378612A3205.576.54.513.5第4代Boeing7771170711A34087568表民用飞机结构用材料重量百分比第五章飞机结构材料——§3复合材料3.应用国外先进战斗机的复合材料使用量已达结构重量的25%，占到机体表面积的80%左右。F-22达26%，F-35达35%。空客380的复合材料占总重的20%.美国波音公司boeing787“梦想”飞机，复合材料的用量占总结构重量的50%，（铝合金20%，钛合金15%，钢5%，其他10%），是第一个使用复合材料建造机翼、机身的大型商用喷气客机。第五章飞机结构材料——§3复合材料波音787第五章飞机结构材料——§3复合材料4.我国航空复合材料现状我国参与了波音787和空客380飞机项目。如：波音787飞机：哈飞生产的翼身整流罩、沈飞生产的垂尾。成飞的方向舵成为全球唯一承包商。空客380飞机：沈飞生产前起落架舱的部分复合材料构件；西飞生产电子舱门。我国战斗轰炸机“飞豹”大量采用了复合材料。第五章飞机结构材料——思考题思考题1.飞机上常用的材料有哪些2.钛合金的优、缺点3.什么是复合材料，其优缺点