飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)（第五章 飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料）

1、南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 材料的選擇 合金結(jié)構(gòu)材料 鋁合金 鎂合金 鈦合金 鋼鐵合金 復(fù)合材料南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院1. 1. 性能方面的考慮性能方面的考慮比強(qiáng)度；比剛度；腐蝕和脆化現(xiàn)象；疲勞；裂紋擴(kuò)展特性和斷裂韌性；環(huán)境穩(wěn)定性。2. 某些特殊部位尚應(yīng)考慮某些特殊部位尚應(yīng)考慮腐蝕與磨損；與其他材料的兼容；磨蝕；溫度特性和電位特性。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院3. 3. 經(jīng)濟(jì)性的考慮經(jīng)濟(jì)性的考慮可獲得性和易生產(chǎn)性；材料的成本；制造特性（包括從原材料到最終成品件的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制造特性）；南京航空航天大學(xué)民航學(xué)

2、院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院一、鋁合金1. 1. 特點(diǎn)特點(diǎn) 較高的比強(qiáng)度( b/ )、比剛度(E / ) 、疲勞強(qiáng)度，工藝性能好。2. 分類分類變形鋁合金變形鋁合金（借助變形生產(chǎn)板材、型材、沖壓件、鍛件）防銹鋁(LF)、硬鋁(LY)、超硬鋁(LC)、鍛鋁(LD)、鋁鋰合金。鑄造鋁合金鑄造鋁合金（通過鑄造成型） 主要合金元素：Si，Cu，Mg，Zn，稀土等。 Al-Si系合金占絕大多數(shù)(常稱為硅鋁明)。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院一、鋁合金3. 3. 應(yīng)用應(yīng)用 鑄造鋁合金：鑄造鋁合金：用于鑄造外形復(fù)雜、使用溫度高（可達(dá)200C30

3、0C）的零件。萊特兄弟的“飛行者一號(hào)”：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、曲軸箱。早期應(yīng)用于不甚重要的二級(jí)構(gòu)件，如把手、托盤、支架、內(nèi)艙門上世紀(jì)80年代逐步應(yīng)用于機(jī)身關(guān)鍵受力件：如boeing757整體鑄造電子設(shè)備檢修門。F-16進(jìn)氣道唇口鑄件：1448*533*356 (mm)南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院一、鋁合金3. 3. 應(yīng)用應(yīng)用 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院一、鋁合金3. 應(yīng)用應(yīng)用南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院一、鋁合金3. 應(yīng)用應(yīng)用南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院二、鎂合金1. 1. 特點(diǎn)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：密度低，僅為鋁合金的2/3

4、，減震性能好，切削加工性能 好，可焊接，鑄造質(zhì)量高，優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、電磁屏 蔽性能。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：耐蝕性差，常溫延展性不夠，熔點(diǎn)低。2. 分類分類變形鎂合金變形鎂合金MB8、MB15、MB25等。MB8鎂-錳系，不可熱處理強(qiáng)化，切削加工及焊接性能良 好。 MB15鎂-鋅-鋯系，可熱處理強(qiáng)化，高強(qiáng)度，切削加工性能良好，但焊接性能較差 。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院二、鎂合金2. 分類分類變形鎂合金變形鎂合金MB25鎂-鋅-鋯-釔系，高強(qiáng)度變形鎂合金合金，通常不經(jīng)熱處理 。鑄造鎂合金鑄造鎂合金） ZM5和ZM6等。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院二、鎂合金3.

5、3. 應(yīng)用應(yīng)用 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院二、鎂合金3. 3. 應(yīng)用應(yīng)用 鎂合金在海洋氣候環(huán)境下抗腐蝕性能差，使其在航空產(chǎn)品上的應(yīng)用受到限制。 國外在鎂合金合金的研究與應(yīng)用上，一直是致力于提高鎂合金合金的抗蝕性能，主要是采取提高鎂合金合金的純度的途徑，如對(duì)航空上應(yīng)用較多的AZ91鎂合金合金，采用提高合金合金純度，最大程度降低合金合金中重金屬雜質(zhì)銅、鎳、鐵的含量。研究出適宜壓鑄的AZ91D和適宜砂型、金屬型和溶模鑄造的AZ91E高純鎂合金合金。 AZ91E鑄鎂合金合金的抗蝕性能已接近歐美國家航空上廣泛應(yīng)用的A357鑄造鋁合金合金的抗蝕性能。 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空

6、航天大學(xué)民航學(xué)院三、鈦及鈦合金1. 1. 特點(diǎn)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：很高的比強(qiáng)度和熱強(qiáng)性，耐蝕性好（表面氧化膜可以穩(wěn)定 到550C） 。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：切削、熱加工性能差，冷加工性能差，硬度低，耐磨性差。2. 分類分類純鈦（工業(yè)純鈦）純鈦（工業(yè)純鈦） 熔點(diǎn)1667度，密度4.5，強(qiáng)度與低碳鋼相似，可直接應(yīng)用于航空產(chǎn)品，如制造在350C以下工作的飛機(jī)構(gòu)件，如超音速飛機(jī)蒙皮等。鈦合金鈦合金 型（TA）、型（TB）、（+）型（TC）鈦合金 ； 鑄造鈦合金(ZT)。 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院三、鈦及鈦合金3. 3. 應(yīng)用應(yīng)用 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院三、鈦及鈦合

7、金3. 3. 應(yīng)用應(yīng)用 鈦產(chǎn)量中約80%用于航空和宇航工業(yè)。B-1轟炸機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料中，鈦合金約占21%，主要用于制造機(jī)身、機(jī)翼、蒙皮和承力構(gòu)件。F-15戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料，鈦合金用量達(dá)7000kg ，約占結(jié)構(gòu)重量的34%。波音757客機(jī)的結(jié)構(gòu)件，鈦合金約占5%，用量達(dá)3640 kg。 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院三、鈦及鈦合金3. 3. 應(yīng)用應(yīng)用 發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件：發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件：AlloyC(Ti-35V-15Cr) 阻燃鈦合金應(yīng)用于F/A-22 動(dòng)力上的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)向葉片和矢量尾噴管 受力構(gòu)件：受力構(gòu)件：鈦基復(fù)合材料應(yīng)用于F16主起落架下部后撐桿，替代 300M鋼，相

8、比減重40%。大型構(gòu)件：大型構(gòu)件：F/A-22F/A-22 的中機(jī)身有四個(gè)很大的Ti-6Al-4V 整體式隔 框，其中最大的“583”隔框鍛件重2770kg，投影面積 5.53平米，是迄今為止最大的航空用鈦合金鍛件。 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院四、合金結(jié)構(gòu)鋼 航空工業(yè)使用的結(jié)構(gòu)鋼主要是低合金結(jié)構(gòu)鋼，即合金元素在5%以內(nèi)的合金鋼。分類及應(yīng)用分類及應(yīng)用表面硬化鋼表面硬化鋼(低碳鋼)滲碳鋼、滲氮鋼、碳氮共滲鋼。如12CrNi3A，18Cr2Ni4WA等。通過表面熱處理得到堅(jiān)硬耐磨的表面層和適當(dāng)韌性的心部組織，用于制造軸、重要齒輪、活塞等零件。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天

9、大學(xué)民航學(xué)院四、合金結(jié)構(gòu)鋼分類及應(yīng)用分類及應(yīng)用低合金高強(qiáng)度鋼低合金高強(qiáng)度鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，如高的屈強(qiáng)比和塑性，較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度和高的疲勞性能，熱成形形、切削加工性較好 ；如18Mn2CrMoBA、40CrA、30CrMnSiA等。用于制造強(qiáng)度高、韌性好的零件。 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院四、合金結(jié)構(gòu)鋼分類及應(yīng)用分類及應(yīng)用超高強(qiáng)度鋼超高強(qiáng)度鋼抗拉強(qiáng)度大于1400Mpa的鋼。常用的有：30CrMnSiNi2A，300M鋼等。用于制造重要的受力構(gòu)件，如機(jī)翼主梁、對(duì)接接頭、起落架等。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 由兩種或兩種以上分別稱為基體基體和增強(qiáng)

10、體增強(qiáng)體組分材料組成的材料。1. 1. 特點(diǎn)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：很高的比強(qiáng)度和比剛度，良好的抗疲勞性和破斷安全性，對(duì)應(yīng)力集中敏感度低，減振性好，很好的耐蝕性和無線電透波 性，成型工藝性好。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：各向異性，層間強(qiáng)度低，機(jī)械連接復(fù)雜，對(duì)沖擊損傷敏感；對(duì)濕、熱環(huán)境較敏感。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院2. 分類分類 分類方法較多，且不統(tǒng)一，按基體類型分：樹脂基按基體類型分：樹脂基和金屬基金屬基復(fù)合材料，其中樹脂基復(fù)合材料用量最大。按增強(qiáng)材料種類和形狀分按增強(qiáng)材料種類和形狀分：纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)、層疊增強(qiáng)纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)、層疊增強(qiáng)等復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：以纖維為增強(qiáng)材料

11、，以樹脂、金屬或其他物質(zhì)為基體構(gòu)成，常用纖維有玻璃纖維、碳纖維和硼纖維等。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：由微小粒狀金屬粉或陶瓷等物質(zhì)和基體構(gòu)成，基體可以是金屬或 樹脂。層疊增強(qiáng)復(fù)合材料：由兩層或多層材料構(gòu)成。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院2. 分類分類按性能分：結(jié)構(gòu)按性能分：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能功能復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：指用于結(jié)構(gòu)零件的復(fù)合材料，可以是金屬基或樹脂基。多以纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料為主。功能復(fù)合材料： 指具有某種物理性能 的復(fù)合材料，如將有 關(guān)金屬細(xì)粒復(fù)合于塑 料中，可使這種細(xì)粒 復(fù)合塑料具有導(dǎo)電、 導(dǎo)熱、導(dǎo)磁等性能。南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院3. 應(yīng)

12、用應(yīng)用航空結(jié)構(gòu)材料性能航空結(jié)構(gòu)材料性能南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院3. 應(yīng)用應(yīng)用 美國于六十年代開始復(fù)合材料的發(fā)展階段；七十年代初首先在軍機(jī)上開發(fā)應(yīng)用。 就其發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：第一階段，應(yīng)用于受載不大的構(gòu)件，如各類操縱面：舵面、副翼、擾流片等，口蓋、阻力板、起落架艙門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和其他次結(jié)構(gòu)上。第二階段，應(yīng)用于承力大的結(jié)構(gòu)和主結(jié)構(gòu)上，如安定面、全動(dòng)平尾和主受力結(jié)構(gòu)機(jī)翼上。第三階段，進(jìn)一步應(yīng)用于復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)，如機(jī)身、中央翼盒等。 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院3. 應(yīng)用應(yīng)用某軍用機(jī)結(jié)構(gòu)材料某軍用機(jī)結(jié)構(gòu)材料南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院3

13、. 應(yīng)用應(yīng)用某客機(jī)結(jié)構(gòu)材料某客機(jī)結(jié)構(gòu)材料南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院3. 應(yīng)用應(yīng)用某客機(jī)結(jié)構(gòu)材料某客機(jī)結(jié)構(gòu)材料南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院3. 應(yīng)用應(yīng)用表表 民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料重量百分比民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料重量百分比南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院3. 應(yīng)用應(yīng)用 國外先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料使用量已達(dá)結(jié)構(gòu)重量的25%，占到機(jī)體表面積的80%左右。F-22達(dá)26%，F(xiàn)-35達(dá)35%?？湛?80的復(fù)合材料占總重的20%. 美國波音公司宣稱，其正在研制的boeing787“夢(mèng)想 ”飛機(jī)，復(fù)合材料的用量將占總結(jié)構(gòu)重量的50%，（鋁合金20%，鈦合金15%，鋼5%，其他10%），將是第一個(gè)使用復(fù)合材料建造機(jī)翼、機(jī)身的大型商用 噴氣客機(jī)。 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院4. 我國航空復(fù)合材料現(xiàn)狀我國航空復(fù)合材料現(xiàn)狀 我國參與了波音787和空客380飛機(jī)