航空材料学-绪论PPT课件

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1、 航空材料学 1 绪论 材料的概念与分类 航空航天材料简史 材料的性能 课程性质 要求 学习方法 航空材料发展方向 2 课程性质 要求 性质 本课程是本科材料类的专业选修课 该课程是从实践中发展起来 又直接为生产服务的一门课程 具有丰富的理论性和实践性 基本要求 通过学习 使学生获得有关航空材料的基本理论 基本知识 了解常用航空材料的成分 工艺 组织和性能之间的关系 初步具备合理地选用材料的能力 3 课程性质 要求 学生通过本课程的学习 应达到下列要求 掌握金属力学性能 晶体结构和铁碳合金相图等金属学的基本知识 掌握航空材料的分类 牌号 或代号 性能特点及用途 能根据零件的工作条件选用材料 初

2、步具备正确选定零件的热处理方法及确定其工序位置的能力 了解与本课程有关的新材料 新工艺 新技术及其发展趋势 4 学习方法 本课程具有实践性强的特点 其内容与生产 生活密切相关 为达到教学要求 学习应做好以下几个方面 学习中应注重分析 理解与运用 并注意前后知识的衔接与综合应用 注重理论联系实际 认真完成作业 本课程设计的知识面广 内容较丰富 要培养自己的自学能力 在后续课程和生产实习 课程设计 毕业设计等教学环节中反复练习 巩固提高 5 材料的重要作用 举例 旧石器时代距今约250万年新石器时代距今1万年青铜时代公元前3000年铁器时代公元前1000年水泥 钢 塑料 合成纤维 如尼龙 取代自然

3、纤维 如棉 麻 蚕丝 信息时代 20世纪50年代 基于硅的集成电路取代分立式晶体管新材料时代 纳米材料 复合材料 回顾历史 任何一个时代的变革 都是以新材料的产生为基础的 新材料总是 革命性的改变人们的生活和文化的进程产生一种全新的工业 6 要求 轻质高强 克克计较 对航天飞机来说 每减重1kg的经济效益逾万美元 高温耐蚀 发动机材料 高真空 再入过程 宇宙射线 低地球轨道上原子氧等 航空航天材料 泛指用于制造航空 航天飞行器的材料 重要作用 先导和基础作用 一代材料 一代飞行器 航空航天材料反映出材料发展的前沿 特别是代表了一个国家结构材料技术的最高水平 大气层内航行如 飞机 飞艇 热气球等

4、 大气层外航行如 人造卫星 宇宙飞船 空间站等 1 材料的概念与分类 7 1 材料的概念与分类 复合材料 金属材料 铁合金材料钢铁 非铁合金材料铝及其合金铜及其合金钛及其合金镁及其合金镍及其合金 非金属材料 有机聚合物纤维橡胶塑料 无机材料水泥玻璃陶瓷 树脂基颗粒增强纤维增强晶须增强编织结构增强 金属基复合材料 工程材料 陶瓷基复合材料 按组织成分分类 用于机械或建筑工程经人工提炼或制造 非自然直接提供固体材料 8 1 材料的概念与分类 按使用功能分类 功能材料 结构材料 用于制造实现运动和传递动力的零件性能指标 力学性能 强度 硬度 刚度 塑性 韧性 疲劳强度 耐磨强度等 包括金属 高分子

5、复合材料等 利用物理特性及其对外部环境的响应实现信息处理和能量转换性能指标 声 光 电 磁 热等物理性能隐身 减振 隔热 信息 电子材料 9 2 航空航天材料简史 航空 孔明灯和热气球 纸 漆布 亚麻 1903年12月17日 莱特兄弟制造出世界上第一架动力飞机 飞行者1号 这是一架用轻质木料为骨架 帆布为蒙皮的双翼机 其中木材占47 钢占35 布占18 飞机的飞行速度只有16公里 时 10 铝合金时代 铝合金 镁合金1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝 使制造全金属结构的飞机成为可能 2 航空航天材料简史 航空 典型的客机全金属硬壳式结构 11 2 航空航天材料简史 航空 铝合金时代

6、 铝合金 镁合金全金属飞机的创始人被公认为是德国人胡戈 容克斯 他在1919年设计了容克F13飞机 这是世界上第一架 为客机而设计的客机 也是第一架全金属客机 容克F13是一架下单翼单发布局活塞式小飞机 一次可载客4人 6人 也可改装成带浮筒的水上飞机 但是 全金属结构飞机真正全面获得应用是在上世纪40年代末以后 容克F13 全球首架全金属客机 40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加 飞行速度超过了600公里 时 12 高温合金时代 钛基高温合金 镍基高温合金在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高 50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮

7、的 热障 问题起了重大作用 飞机的性能大幅度提高 最大飞行速度达到了3倍音速 SR 71 黑鸟 BlackBird 美国空军高空高速侦察机 机身采用低重量 高强度的钛合金作为结构材料最大飞行高度 30000米最大速度 3 5马赫 2 航空航天材料简史 航空 13 先进复合材料时代 现阶段 聚合物基 陶瓷基 金属基 金属间化物基复合材料复合材料代替铝 可实现20 40 的减重 复合材料的用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要标志之一 1959年 聚丙烯腈 PAN 基碳纤维在日本问世 60年代中期生产出碳纤维复合材料 70年代初碳纤维增强复合材料被首先应用于军机 2 航空航天材料简史 航空 14

8、 先进复合材料时代 现阶段 聚合物基 陶瓷基 金属基 金属间化物基复合材料 2 航空航天材料简史 航空 波音787 复合材料革命的代表 从材料学的角度看 波音787飞机是制造业历史上一次革命性的跨越 波音787飞机在机身和主要结构上大面积使用了复合材料 不仅减轻了飞机重量 还减轻了航空公司的维修负担 波音公司的数据显示 复合材料占到波音787飞机结构重量的50 体积的80 铝占20 钛占15 钢占10 其他材料占5 15 2 航空航天材料简史 航空 军用飞机结构材料用量对比 整机重量百分比 16 2 航空航天材料简史 航空 三代战机 F 14 平尾等受力小的部分 复合材料用量1 F 18 机翼

9、等部位 复合材料用量12 F14战斗机 F18战斗机 17 2 航空航天材料简史 航空 四代战机 机翼 机身 垂尾 平尾 进气道 起落架等大面积使用复合材料 F 22 24 钛合金41 苏 35 35 18 2 航空航天材料简史 航空 其他军机 B 2隐形轰炸机 50 Tiger虎式武装直升机 45 19 2 航空航天材料简史 航空 我国的歼 10 三代半战机 机翼为全金属 复合材料用量很少 歼 10战斗机是我国第一架完全独立拥有自主知识产权的战斗机 2005年正式装备部队并在很短的时间内成建制 系统地形成了战斗力 20 大型客机 2 航空航天材料简史 航空 A 380 22 中心翼盒用复合材

10、料5 3吨 实现减重1 5吨 B 787 50 有史以来第一款在主体结构 机翼和机身 上采用先进复合材料的大型客机 A 350 40 波音与空客对决的关键 复合材料 21 空中 泰坦尼克 A380 铝合金61 复合材料用量22 钛合金用量10 2 航空航天材料简史 航空 22 空中客车A350 复合材料用量37 铝锂合金用量23 铝合金用量11 钛合金用量9 钢用量14 其它用量6 2 航空航天材料简史 航空 23 复合材料用量50 铝合金用量20 钛用量15 钢用量10 2 航空航天材料简史 航空 24 垂直稳定面 尾翼 水平稳定面 纤维复合材料 襟翼 阻流板 机翼箱 发动机舱罩 主起落架舱

11、门 前起落架舱门 机头 A380选用纤维增强树脂基复合材料的部位 副翼 2 航空航天材料简史 航空 25 2 航空航天材料简史 航空 26 2008年6月2日 在四川省北川县擂鼓镇 一架前苏联米 26直升机完成唐家山堰塞湖抢险设备向外吊运工作后离开 通用飞机 除从事定期客运 货运等公共航空运输飞机之外的其他民用航空活动的所有飞机的总称 赛斯纳172 超轻型喷气飞机Learjet85 全碳纤维复合材料结构 2 航空航天材料简史 航空 27 总结 通过以上对航空材料发展历程的回顾 我们看到 无论是军机还是民机 钢和铝合金的用量都在日渐减少 而高温钛合金和先进复合材料是今后重点发展的航空材料 2 航

12、空航天材料简史 航空 28 2 航空航天材料简史 航天 航天与航空材料有什么相同点和不同点 应用背景 当航天飞行器 导弹 火箭 飞船等 以高超音速冲出大气和返回地面时 在气动加热下 其表面温度可达1000 3000 C 固体火箭发动机工作时 燃烧室压强可达200个大气压 产生 2000 C的高温 燃气在喷喉处的流速达1马赫数 航天材料要求 不仅要轻质高强 还要耐高温耐腐蚀热防护是关键问题 29 热防护材料发展 20世纪50年代以后 材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功 解决了弹道导弹弹头及航天器的再入防热问题 1969年7月20日人类首次登月 此后航天事业大发展 2 航空航天材料简史

13、航天 30 天地往返运输系统的运载工具 载人飞船 航天飞机第一代航天飞机 垂直起飞 水平降落 部分多次重复使用 飞行次数100次 采用防热 结构分开设计的思想 冷结构 热防护系统第二代航天飞机 水平起飞 二级入轨 部分重复使用 部分热结构设计为主与冷结构 热防护系统相结合创新处 二级入轨 用超高音速飞机把二级飞行器用火箭发动机送入空间轨道 飞机返回地面 热结构设计 把承力结构设计和热防护的隔热防热设计结合在一起 空天飞机 水平起飞 一级入轨 完全重复使用全机采用热结构设计 2 航空航天材料简史 航天 31 美国航天飞机热防护系统所用材料情况 2 航空航天材料简史 航天 32 美研制X 37高速

14、飞行 2005年6月21日搭乘 白骑士 首次飞行 无人驾驶 全机身复合材料 二级入轨 水平降落 若成功可在两小时内对地球任何地点进行打击 2 航空航天材料简史 航天 33 X 33飞行器TPS 美研制X 33无人驾驶 一级入轨 2001年3月 由于存在诸多难以突破的技术难关 NASA取消了已经耗资了13亿美元的X 33项目 2 航空航天材料简史 航天 34 3 航空材料的发展方向 1 高性能 要求质轻 高强 高模 高韧 抗疲劳 抗振动 耐高温 耐低温 抗氧化 耐腐蚀 2 高功能 多功能 用于雷达火控和隐身结构的材料要求有高功能的光 电 热 磁特性 承载和功能一体化以及多功能化 3 复合化 采用

15、树脂基 金属基 以铝 钛及金属间化合物 陶瓷基 SiC或C纤维增强的SiC和Si3N4基 C C复合材料 35 4 智能化 采用智能材料和结构 能实现自诊断 自适应 自修复和寿命预测 5 低成本 包括原材料 制备和加工 检验 评价以及维修方面的低成本 6 环境相容性 要求低 无污染 有良好的可回收性 7 材料的通用化 标准化势在必行 3 航空材料的发展方向 36 4 材料的性能 飞行器选材与设计时 必须考虑材料的使用性能和工艺性能 化学性能 力学性能 物理性能 使用性能 材料在使用过程中能够安全可靠地工作必须具备的性能 工艺性能即材料的可加工性能 材料工程技术人员的任务 了解和熟悉材料的成分

16、组织和性能 并根据材料的使用性能 工艺性能和经济性来适当的选取材料 制定工艺 37 4 材料的性能 4 1静载荷作用下材料的力学性能强度 塑性 硬度 4 2动载荷作用下材料的力学性能冲击韧性 断裂韧性 疲劳强度 38 4 材料的性能 4 3材料高温和低温下的力学性能高温性能蠕变 当材料在高温下长时间工作 应力小于屈服强度时 会发生缓慢塑性变形的现象 称为蠕变 蠕变程度的指标 蠕变强度 持久强度低温性能在低温环境下 大多数材料会出现脆性 使其在不大的应力下发生断裂 称作脆断 脆化温度TK越低 材料越不易脆断 其低温韧性越好 39 4 材料的性能 4 4材料的物理性能密度比强度 b 比弹性模量 E 2 导电性金属 合金 非金属3 磁性软磁材料 容易磁化 也容易退磁 如硅钢片硬磁材料 外磁场去掉后 仍能保持磁性 如稀土 钴铜 铝 铅 非金属为无磁性材料 40 4 导热性热防护结构中及液氧贮箱结构中都应用了最好的绝热材料 5 熔点航空航天器上的高温部件使用高熔点材料 6 热膨胀性线膨胀系数 单位温度升高引起的材料两点之间距离的膨胀或收缩与这两点之间原距离的比值陶瓷 金属 高分子材料 4 材料的