航空材料學緒論課件

航空材料學

航空材料學

1緒論材料的概念與分類航空航天材料簡史材料的性能課程性質(zhì)、要求、學習方法航空材料發(fā)展方向緒論材料的概念與分類航空航天材料簡史材料的性能課程性質(zhì)、課程性質(zhì)、要求性質(zhì)：本課程是本科材料類的專業(yè)選修課。該課程是從實踐中發(fā)展起來，又直接為生產(chǎn)服務(wù)的一門課程，具有豐富的理論性和實踐性?；疽螅和ㄟ^學習，使學生獲得有關(guān)航空材料的基本理論、基本知識；了解常用航空材料的成分、工藝、組織和性能之間的關(guān)系；初步具備合理地選用材料的能力。課程性質(zhì)、要求性質(zhì)：本課程是本科材料類的專業(yè)選修課。該課程是課程性質(zhì)、要求學生通過本課程的學習，應(yīng)達到下列要求：掌握金屬力學性能、晶體結(jié)構(gòu)和鐵碳合金相圖等金屬學的基本知識；掌握航空材料的分類、牌號（或代號）、性能特點及用途；能根據(jù)零件的工作條件選用材料；初步具備正確選定零件的熱處理方法及確定其工序位置的能力；了解與本課程有關(guān)的新材料、新工藝、新技術(shù)及其發(fā)展趨勢。課程性質(zhì)、要求學生通過本課程的學習，應(yīng)達到下列要求：學習方法本課程具有實踐性強的特點，其內(nèi)容與生產(chǎn)、生活密切相關(guān)。為達到教學要求，學習應(yīng)做好以下幾個方面：學習中應(yīng)注重分析、理解與運用，并注意前后知識的銜接與綜合應(yīng)用；注重理論聯(lián)系實際，認真完成作業(yè)；本課程設(shè)計的知識面廣，內(nèi)容較豐富，要培養(yǎng)自己的自學能力，在后續(xù)課程和生產(chǎn)實習、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等教學環(huán)節(jié)中反復(fù)練習，鞏固提高。學習方法本課程具有實踐性強的特點，其內(nèi)容與生產(chǎn)、生活密切相關(guān)材料的重要作用舉例：舊石器時代距今約250萬年新石器時代距今1萬年青銅時代 公元前3000年鐵器時代公元前1000年水泥、鋼、塑料；合成纖維（如尼龍）取代自然纖維（如棉、麻，蠶絲）

信息時代：20世紀50年代，基于硅的集成電路取代分立式晶體管 新材料時代：納米材料、復(fù)合材料……回顧歷史，任何一個時代的變革，都是以新材料的產(chǎn)生為基礎(chǔ)的，新材料總是：革命性的改變?nèi)藗兊纳詈臀幕倪M程產(chǎn)生一種全新的工業(yè)材料的重要作用舉例：回顧歷史，任何一個時代的變革，都是以新材航空飛行器航天飛行器要求：輕質(zhì)高強：“克克計較”，對航天飛機來說，每減重1kg的經(jīng)濟效益逾萬美元。高溫耐蝕：發(fā)動機材料、高真空、再入過程、宇宙射線、低地球軌道上原子氧等。航空航天材料：泛指用于制造航空、航天飛行器的材料。重要作用：先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用?！耙淮牧希淮w行器”航空航天材料反映出材料發(fā)展的前沿，特別是代表了一個國家結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的最高水平。大氣層內(nèi)航行如：飛機、飛艇、熱氣球等大氣層外航行如：人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站等1.材料的概念與分類航空飛行器航天飛行器要求：航空航天材料：重要作用：大氣層內(nèi)航1.材料的概念與分類復(fù)合材料金屬材料鐵合金材料鋼鐵非鐵合金材料鋁及其合金銅及其合金鈦及其合金鎂及其合金鎳及其合金非金屬材料有機聚合物纖維橡膠塑料無機材料水泥玻璃陶瓷樹脂基顆粒增強纖維增強晶須增強編織結(jié)構(gòu)增強金屬基復(fù)合材料工程材料陶瓷基復(fù)合材料按組織成分分類用于機械或建筑工程經(jīng)人工提煉或制造，非自然直接提供固體材料1.材料的概念與分類復(fù)合材料金屬材料鐵合金材料非鐵合金材料非1.材料的概念與分類工程材料按使用功能分類功能材料結(jié)構(gòu)材料用于制造實現(xiàn)運動和傳遞動力的零件性能指標：力學性能（強度、硬度、剛度、塑性、韌性、疲勞強度、耐磨強度等）包括金屬、高分子、復(fù)合材料等利用物理特性及其對外部環(huán)境的響應(yīng)實現(xiàn)信息處理和能量轉(zhuǎn)換性能指標：聲、光、電、磁、熱等物理性能隱身、減振、隔熱、信息、電子材料1.材料的概念與分類工程材料按使用功能分類功能材料結(jié)構(gòu)材料用2.航空航天材料簡史：航空孔明燈和熱氣球：紙、漆布（亞麻）1903年12月17日，萊特兄弟制造出世界上第一架動力飛機“飛行者1號”。這是一架用輕質(zhì)木料為骨架、帆布為蒙皮的雙翼機。其中木材占47％,鋼占35％，布占18％,飛機的飛行速度只有16公里/時。2.航空航天材料簡史：航空孔明燈和熱氣球：紙、漆布（亞麻）鋁合金時代：鋁合金、鎂合金

1906年德國冶金學家發(fā)明了可以時效強化的硬鋁，使制造全金屬結(jié)構(gòu)的飛機成為可能。2.航空航天材料簡史：航空典型的客機全金屬硬殼式結(jié)構(gòu)鋁合金時代：鋁合金、鎂合金2.航空航天材料簡史：航空典型的客2.航空航天材料簡史：航空鋁合金時代：鋁合金、鎂合金全金屬飛機的創(chuàng)始人被公認為是德國人胡戈·容克斯。他在1919年設(shè)計了容克F13飛機，這是世界上第一架“為客機而設(shè)計的客機”，也是第一架全金屬客機。容克F13是一架下單翼單發(fā)布局活塞式小飛機，一次可載客4人～6人，也可改裝成帶浮筒的水上飛機。但是，全金屬結(jié)構(gòu)飛機真正全面獲得應(yīng)用是在上世紀40年代末以后。容克F13：全球首架全金屬客機40年代出現(xiàn)的全金屬結(jié)構(gòu)飛機的承載能力已大大增加，飛行速度超過了600公里/時。2.航空航天材料簡史：航空鋁合金時代：鋁合金、鎂合金容克F1高溫合金時代：鈦基高溫合金、鎳基高溫合金在合金強化理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一系列高溫合金使得噴氣式發(fā)動機的性能得以不斷提高。

50年代鈦合金的研制成功和應(yīng)用對克服機翼蒙皮的“熱障”問題起了重大作用，飛機的性能大幅度提高，最大飛行速度達到了3倍音速。SR-71“黑鳥”（BlackBird），美國空軍高空高速偵察機。機身采用低重量、高強度的鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料最大飛行高度：30000米最大速度：3.5馬赫2.航空航天材料簡史：航空高溫合金時代：鈦基高溫合金、鎳基高溫合金SR-71“黑鳥”（先進復(fù)合材料時代（現(xiàn)階段）：聚合物基、陶瓷基、金屬基、金屬間化物基復(fù)合材料復(fù)合材料代替鋁，可實現(xiàn)20-40%的減重。復(fù)合材料的用量及其性能水平已成為飛行器先進性的重要標志之一。

-1959年，聚丙烯腈（PAN）基碳纖維在日本問世

-60年代中期生產(chǎn)出碳纖維復(fù)合材料

-70年代初碳纖維增強復(fù)合材料被首先應(yīng)用于軍機2.航空航天材料簡史：航空先進復(fù)合材料時代（現(xiàn)階段）：聚合物基、陶瓷基、金屬基、金屬間先進復(fù)合材料時代（現(xiàn)階段）：聚合物基、陶瓷基、金屬基、金屬間化物基復(fù)合材料2.航空航天材料簡史：航空波音787：復(fù)合材料革命的代表

從材料學的角度看，波音787飛機是制造業(yè)歷史上一次革命性的跨越。波音787飛機在機身和主要結(jié)構(gòu)上大面積使用了復(fù)合材料，不僅減輕了飛機重量，還減輕了航空公司的維修負擔。

波音公司的數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合材料占到波音787飛機結(jié)構(gòu)重量的50%(體積的80%)，鋁占20%，鈦占15%，鋼占10%，其他材料占5%。先進復(fù)合材料時代（現(xiàn)階段）：聚合物基、陶瓷基、金屬基、金屬間2.航空航天材料簡史：航空飛機型號設(shè)計年代鈦合金（%）復(fù)合材料（%）鋁合金（%）鋼（%）F1419692413917F18197813124917F2219894124115B219882650196軍用飛機結(jié)構(gòu)材料用量對比（整機重量百分比）2.航空航天材料簡史：航空飛機型號設(shè)計年代鈦合金（%）復(fù)合材2.航空航天材料簡史：航空三代戰(zhàn)機：F-14：平尾等受力小的部分，復(fù)合材料用量1%F-18：機翼等部位，復(fù)合材料用量12%F14戰(zhàn)斗機F18戰(zhàn)斗機2.航空航天材料簡史：航空三代戰(zhàn)機：F-14：平尾等受力小的2.航空航天材料簡史：航空四代戰(zhàn)機：機翼、機身、垂尾、平尾、進氣道、起落架等大面積使用復(fù)合材料，F(xiàn)-22：24%，鈦合金41%蘇-35：35%2.航空航天材料簡史：航空四代戰(zhàn)機：機翼、機身、垂尾、平尾、2.航空航天材料簡史：航空其他軍機：B-2隱形轟炸機：50%Tiger虎式武裝直升機：45%2.航空航天材料簡史：航空其他軍機：B-2隱形轟炸機：50%2.航空航天材料簡史：航空我國的殲-10：三代半戰(zhàn)機，機翼為全金屬，復(fù)合材料用量很少。殲-10戰(zhàn)斗機是我國第一架完全獨立擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的戰(zhàn)斗機，2005年正式裝備部隊并在很短的時間內(nèi)成建制、系統(tǒng)地形成了戰(zhàn)斗力。2.航空航天材料簡史：航空我國的殲-10：三代半戰(zhàn)機，機翼為大型客機：鋁合金（%）鋼（%）鈦合金（%）復(fù)合材料（%）B-747811341B-757781263B-767801423B-77770117102.航空航天材料簡史：航空A-380:22%，中心翼盒用復(fù)合材料5.3噸，實現(xiàn)減重1.5噸。B-787:50%，有史以來第一款在主體結(jié)構(gòu)（機翼和機身）上采用先進復(fù)合材料的大型客機。A-350：~40%波音與空客對決的關(guān)鍵：復(fù)合材料！大型客機：鋁合金（%）鋼（%）鈦合金（%）復(fù)合材料（%）B-空中“泰坦尼克”A380，鋁合金61%，復(fù)合材料用量22%，鈦合金用量10%。2.航空航天材料簡史：航空空中“泰坦尼克”A380，鋁合金61%，復(fù)合材料用量22%，空中客車A350復(fù)合材料用量37%鋁鋰合金用量23%鋁合金用量11%鈦合金用量9%鋼用量14%其它用量6%2.航空航天材料簡史：航空空中客車A350復(fù)合材料用量37%鈦合金用量9%2.航空復(fù)合材料用量50%，鋁合金用量20%，鈦用量15%，鋼用量10%2.航空航天材料簡史：航空復(fù)合材料用量50%，鋁合金用量20%，鈦用量15%，鋼用量1垂直穩(wěn)定面尾翼水平穩(wěn)定面纖維復(fù)合材料襟翼阻流板機翼箱發(fā)動機艙罩主起落架艙門前起落架艙門機頭A380選用纖維增強樹脂基復(fù)合材料的部位副翼2.航空航天材料簡史：航空垂直穩(wěn)定面尾翼水平穩(wěn)定面纖維復(fù)合材料襟翼阻流板機翼箱發(fā)動機艙2.航空航天材料簡史：航空2.航空航天材料簡史：航空2008年6月2日，在四川省北川縣擂鼓鎮(zhèn)，一架前蘇聯(lián)米－26直升機完成唐家山堰塞湖搶險設(shè)備向外吊運工作后離開。

通用飛機：除從事定期客運、貨運等公共航空運輸飛機之外的其他民用航空活動的所有飛機的總稱。賽斯納172超輕型噴氣飛機Learjet85：全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)2.航空航天材料簡史：航空2008年6月2日，在四川省北川縣擂鼓鎮(zhèn)，一架前蘇聯(lián)米－26總結(jié)：

通過以上對航空材料發(fā)展歷程的回顧，我們看到，無論是軍機還是民機，鋼和鋁合金的用量都在日漸減少，而高溫鈦合金和先進復(fù)合材料是今后重點發(fā)展的航空材料。2.航空航天材料簡史：航空總結(jié)：2.航空航天材料簡史：航空2.航空航天材料簡史：航天航天與航空材料有什么相同點和不同點？應(yīng)用背景：當航天飛行器（導(dǎo)彈、火箭、飛船等）以高超音速沖出大氣和返回地面時，在氣動加熱下，其表面溫度可達1000~3000oC。固體火箭發(fā)動機工作時，燃燒室壓強可達200個大氣壓，產(chǎn)生>2000oC的高溫，燃氣在噴喉處的流速達1馬赫數(shù)。航天材料要求：不僅要輕質(zhì)高強，還要耐高溫耐腐蝕熱防護是關(guān)鍵問題！2.航空航天材料簡史：航天航天與航空材料有什么相同點和不同點熱防護材料發(fā)展：20世紀50年代以后，材料燒蝕防熱理論的出現(xiàn)以及燒蝕材料的研制成功，解決了彈道導(dǎo)彈彈頭及航天器的再入防熱問題。

1969年7月20日人類首次登月，此后航天事業(yè)大發(fā)展！

2.航空航天材料簡史：航天熱防護材料發(fā)展：20世紀50年代以后，材料燒蝕防熱理論的出現(xiàn)天地往返運輸系統(tǒng)的運載工具：載人飛船、航天飛機第一代航天飛機：垂直起飛，水平降落，部分多次重復(fù)使用，飛行次數(shù)100次。采用防熱-結(jié)構(gòu)分開設(shè)計的思想：冷結(jié)構(gòu)+熱防護系統(tǒng)第二代航天飛機：水平起飛，二級入軌，部分重復(fù)使用。部分熱結(jié)構(gòu)設(shè)計為主與冷結(jié)構(gòu)+熱防護系統(tǒng)相結(jié)合創(chuàng)新處：二級入軌：用超高音速飛機把二級飛行器用火箭發(fā)動機送入空間軌道，飛機返回地面。熱結(jié)構(gòu)設(shè)計：把承力結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱防護的隔熱防熱設(shè)計結(jié)合在一起?？仗祜w機：水平起飛，一級入軌，完全重復(fù)使用全機采用熱結(jié)構(gòu)設(shè)計2.航空航天材料簡史：航天天地往返運輸系統(tǒng)的運載工具：載人飛船、航天飛機2.航空航天材應(yīng)用部位材料適用范圍備注頭錐帽，機翼前緣抗氧化碳/碳>1260oC已實用機身，機翼下表面剛性陶瓷瓦650-1260oC已實用機身，機翼上表面柔性陶瓷隔熱氈370-650oC已實用美國航天飛機熱防護系統(tǒng)所用材料情況2.航空航天材料簡史：航天應(yīng)用部位材料適用范圍備注頭錐帽，機翼前緣抗氧化碳/碳>126美研制X-37高速飛行

(2005年6月21日搭乘“白騎士”首次飛行

)無人駕駛，全機身復(fù)合材料，二級入軌，水平降落。若成功可在兩小時內(nèi)對地球任何地點進行打擊2.航空航天材料簡史：航天美研制X-37高速飛行

(2005年6月21日搭乘“白騎士”X-33飛行器TPS美研制X-33無人駕駛、一級入軌。

2001年3月，由于存在諸多難以突破的技術(shù)難關(guān)，NASA取消了已經(jīng)耗資了13億美元的X-33項目2.航空航天材料簡史：航天X-33飛行器TPS美研制X-332.航空航天材料簡史：航天3.航空材料的發(fā)展方向(1)高性能。要求質(zhì)輕、高強、高模、高韌、抗疲勞、抗振動、耐高溫、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕。(2)高功能、多功能。用于雷達火控和隱身結(jié)構(gòu)的材料要求有高功能的光、電、熱、磁特性;承載和功能一體化以及多功能化。(3)復(fù)合化。采用樹脂基、金屬基（以鋁、鈦及金屬間化合物）、陶瓷基(SiC或C纖維增強的SiC和Si3N4基)、C/C復(fù)合材料。3.航空材料的發(fā)展方向(1)高性能。要求質(zhì)輕、高強、高模、(4)智能化。采用智能材料和結(jié)構(gòu),能實現(xiàn)自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)和壽命預(yù)測。(5)低成本。包括原材料、制備和加工、檢驗、評價以及維修方面的低成本。(6)環(huán)境相容性。要求低/無污染,有良好的可回收性。(7)材料的通用化、標準化勢在必行。3.航空材料的發(fā)展方向(4)智能化。采用智能材料和結(jié)構(gòu),能實現(xiàn)自診斷、自適應(yīng)、自4.材料的性能飛行器選材與設(shè)計時，必須考慮材料的使用性能和工藝性能?；瘜W性能力學性能物理性能使用性能材料在使用過程中能夠安全可靠地工作必須具備的性能工藝性能即材料的可加工性能材料工程技術(shù)人員的任務(wù)：了解和熟悉材料的成分、組織和性能，并根據(jù)材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性來適當?shù)倪x取材料，制定工藝。4.材料的性能飛行器選材與設(shè)計時，必須考慮材料的使用性能和工4.材料的性能4.1靜載荷作用下材料的力學性能強度、塑性、硬度4.2動載荷作用下材料的力學性能沖擊韌性、斷裂韌性、

疲勞強度4.材料的性能4.1靜載荷作用下材料的力學性能4.2動載4.材料的性能4.3材料高溫和低溫下的力學性能高溫性能蠕變：當材料在高溫下長時間工作，應(yīng)力小于屈服強度時，會發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。蠕變程度的指標：蠕變強度、持久強度低溫性能在低溫環(huán)境下，大多數(shù)材料會出現(xiàn)脆性，使其在不大的應(yīng)力下發(fā)生斷裂，稱作脆斷。脆化溫度TK越低，材料越不易脆斷，其低溫韌性越好。4.材料的性能4.3材料高溫和低溫下的力學性能4.材料的性能4.4材料的物理性能密度比強度：σb/ρ

比彈性模量：E/ρ2