飞机结构与系统(第五章 飞机结构材料)

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1、第五章 飞机结构材料,本章内容 材料的选择 合金结构材料 铝合金 镁合金 钛合金 钢铁合金 复合材料,材料的选择,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。,材料的选择,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）；,合金结构材料,合金结构材料,一、铝合金,1. 特点 较高的比强度( b/ )、比刚度(E / ) 、疲劳强度，工艺性能好。 2. 分类 变形铝合金（借助变

2、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)。,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200C 300C）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),合金结

3、构材料,一、铝合金,3. 应用,合金结构材料,一、铝合金,3. 应用,合金结构材料,一、铝合金,3. 应用,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 。,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，

4、通常不经热处理 。 铸造镁合金） ZM5和ZM6等。,合金结构材料,二、镁合金,3. 应用,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。,合金结构材料,三、钛及钛合金,1.

5、 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550C） 。 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350C以下工作的飞机构件，如超音速飞机蒙皮等。 钛合金 型（TA）、型（TB）、（+）型（TC）钛合金 ； 铸造钛合金(ZT)。,合金结构材料,三、钛及钛合金,3. 应用,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-1

6、5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3640 kg。,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。,合金结构材料,四、

7、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。,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。,合金结构材料,四、合金结构钢,分类及应用 超高强

8、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。,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。,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

9、、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。,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。,复合材料,3. 应用,航空结构材料性能,复合

10、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。,复合材料,3. 应用,某军用机结构材料,复合材料,3. 应用,某客机结构材料,复合材料,3. 应用,某客机结构材料,复合材料,3. 应用,表 民用飞机结构用材料重量百分比,复合材料,3. 应用 国外先进战斗机的复合材料使

11、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%. 美国波音公司宣称，其正在研制的boeing787“梦想 ”飞机， 复合材料的用量将占总结构重量的50%，（铝合金20%，钛合 金15%，钢5%，其他10%），将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。,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。,本章思考题,飞机上常用的材料有哪些 钛合金的优、缺点 什么是复合材料，其优缺点,