航空用材料简介.ppt

飞机用材料 佳工机电网www newM 钢 Steels 以含碳量2 为分界 在0 05 0 2 的铁系合金称钢材 而2 4 5 的含碳量称为铸铁 钢即是铁 碳合金 除了含有碳元素外 亦可进一步包含微量其它合金元素 较常见钢铁分类系根据碳浓度的高低分别区分为低碳钢 中碳钢 高碳钢低合金钢 alloysteel 合金元素总量少于5 高合金钢 合金元素总量超过于5 工具钢 佳工机电网www newM 钢铁材料规格 国际上较常见的是美国日本德国规格标准SAE 美国汽车工程协会 AISI 美国钢铁协会 JIS 日本工业标准 DIN 德国工业标准 佳工机电网www newM SAE规范 以四或五位阿拉伯数字代表一钢种 第一位数字代表钢的种类1代表三种钢10普通碳钢 11易切钢 13锰钢2字头表镍钢 3表镍洛钢 4钼钢 5洛钢 6洛钒钢 7钨钢 8镍洛钼钢 9硅锰钢第二位数字表合金钢中含特种元素之平均 第三四或五位数字表钢料中含碳量之 有时在标号尾部另加一英文字母以表示成分或特性 佳工机电网www newM 低碳钢 所有钢种中 最大产量系落在低碳这一类的范围内 其含碳量通常少于0 25 因此对于形成麻田散铁的热处理是无反应的 其钢材的强化主要是靠冷加工来完成 其显微结构包括肥粒铁和波来铁 碳钢的另一群是高强度低合金钢 HSLA 它们包含其它合金元素诸如铜 钒 钛 铌 钴和硼等元素 添加浓度有通常小于5 甚至更低 强化机构是藉高温热加工时产生析出物 因此具有析出硬化及晶粒细化等功效 故其强化比低碳平碳钢强度高 佳工机电网www newM 中碳钢 中碳钢其碳浓度约介于0 25 至0 55 之间 这些钢材可藉着沃斯田铁化 淬火然后回火等热处理改善机械其性质 它们最常以回火状态使用 其显微结构是回火麻田散铁 代表性的钢材为添加铬 镍 钼等元素的合金钢 铬 镍和钼的添加可改善这些合金热处理的能力 使其可获得强度及延展性极佳的组合 这些热处理合金钢比低碳钢强度高 但会牺牲延展性和韧性 此类钢材应用包括铁路车轮 轨道 齿轮 曲柄轴和其它切削零件以及要求高强度 耐磨耗和高韧性的结构零件上 佳工机电网www newM 高碳铁 高碳钢通常具有碳含量介于0 6wt 至1 4wt 之间的钢材 是碳钢中最硬最强 而延展性最低者 其中工具钢为代表 它们几乎总是以硬化和回火状况使用 如此特别是在耐磨耗的工件上使用 通常含有铬 钒 钨和钼合金 这些合金元素易与碳结合形成很硬和耐磨耗碳化物之化合物 如Cr23C6 V4C3 Mo2C和WC等 佳工机电网www newM 不锈钢 StainlessSteels 不锈钢具有良好的抗蚀性 生锈 尤其是在大气中 主要添加的合金元素是铬 其浓度至少需11 铬以上 此外藉着添加镍 钼或铜可强化抗蚀性 不锈钢依据显微结构主要可分成三类 包括麻田散铁型 肥粒铁和沃斯田铁型 麻田散铁型不锈钢能藉热处理使其内部产生麻田散铁 因此具较高的机械强度 沃斯田铁型和肥粒铁型不锈钢只能藉着冷加工来硬化和强化材质 因为它们是无法热处理的 沃斯田铁型不锈铁因为高铬含量和镍的添加 其耐蚀性最好 而其产量也是最大的 佳工机电网www newM 铸铁 CastIron 通常铸铁是铁合金的加上高达3 0 至4 5 之碳而称之 其与碳钢一般 均可再添加其他合金元素 已进一步强化铸铁的各项机械性能 对大部份铸铁而言 碳系以石墨形式存在 最常见铸铁包括灰铸铁 球墨铸铁 白铸铁和展性铸铁等 佳工机电网www newM 灰铸铁 GrayCastIron 灰铸铁中碳与硅含量分别介于2 5wt 和4 0wt 之间以及1 0wt 和3 0wt 之间 对大部份灰铸铁而言 石墨是以片状形式存在于基地内 典型灰铸铁显微组织片状石墨 其破裂表面出现灰色状 因而称之为灰铸铁 其在工业上的用量极大 佳工机电网www newM 延性 或球墨 铸铁 在铸造之前加入少量镁和铈 或镁或铈到灰铸铁中会产生不一样显微结构及机械性质 石墨仍然形成 但是以球状颗粒代替原先的片状 此结果的合金称球墨或延性铸铁 此种铸件比灰铸铁更强并且更有延性 此类材料典型应用包括阀 泵体 曲柄虹 齿轮 以及其它自动如切削零件 佳工机电网www newM 白铸铁和展性铸铁 对低硅 含量少于1 0wt 硅 和快冷却速率的铸铁而言 大部份碳是以雪明碳铁代替石墨方式存在 此类合金的破坏表面呈白色外观 因此被称为白铸铁 Whitecastiron 系以聚集或蔷薇形式存在而被肥粒铁或波来铁基地包围 形成肥粒铁展性铸铁 代表性应用包括联结杆传动齿轮 阀零件 轮船及其它重机使用上 佳工机电网www newM 铝及铝合金 AluminumAlloy 铝的制法西元1886年美国化学家Hall及法国化学家H eroult宣布以氧化铝 Al2O3 置于冰晶石 Na3AlF6 溶液中 于大约950 进行电解 氧化铝 Al2O3 制法利用铝矾土矿浸于氢氧化钠 NaOH 铝及铝合金是目前应用最广泛之飞机制造材料 佳工机电网www newM 铝及铝合金优点 重量轻 差不多是同体积铜或钢的1 3重量 防腐蚀能力强 可反射辐射能 可见光 辐射热 电磁波 导电及导热能力强 且又是非铁磁性 容易接合 焊接 铆接或胶合 外观及表面易处理机械性质良好 经加工处理后强度高 延展性高存量多 佳工机电网www newM 铝及铝合金缺点 当温度升高超过200 强度大幅减弱当温度下降时倾向脆性材料 佳工机电网www newM 锻铝 WroughtAluminum 1 以机械方式成形辊制 抽拉 挤制通常以四位数字标明第一位数字 合金成分1000系列 材料含99 以上之纯铝2000系列 铜 Copper 为主要之成分易热处理以提高强度 但提高了腐蚀性 退火 淬火 回火 有些加镍可提供高温用途 康科特 Concorde 为商用化合金材料 佳工机电网www newM 锻铝 WroughtAluminum 2 3000系列 锰 Manganese 为主要之成分增加硬度4000系列 硅 Silicon 为主要之成分为焊条之理想材料5000系列 镁 Magnesium 为主要之成分提高强度及抗腐蚀6000系列 镁与硅为主要之成分以硅化镁存在 可热处理提高强度及易加工 佳工机电网www newM 锻铝 WroughtAluminum 3 7000系列 锌 Zinc 为主要之成分经热处理提高强度 为所有铝合金中强度最高 有些第二位表示原产品以后修正其成分之次数第三及四位表示产品开发次序1130 纯度99 0 3 99 3 2117 佳工机电网www newM 热处理铝合金如施以适当热处理其内部结构发生一种相变化 产生细致析出物 藉此种析出物 强化材料 这种现象叫析出硬化或时效硬化 非热处理合金则无析出硬化现象 但也会有析出物 故其强化作用通常借助一般的方法 如固溶体强化 加强化细晶强化 佳工机电网www newM 铸铝 CastAluminum 以溶化之铝压入模型内制成由4位数字来标示1 纯铝99 以上2 铜3 硅加入少量铜镁4 硅5 镁7 锌8 锡 佳工机电网www newM 其他 铝 锂 铝 锡 佳工机电网www newM 调质符号基本定义 佳工机电网www newM 调质度之细分 佳工机电网www newM 钛及钛合金 钛金属在1791年被克拉普罗斯 Klaproth 发现 在地球的含量仅次于铝 铁 镁的金属物质 其之所以命名为 钛 是以希腊神 Titan 泰坦 为名 钛合金具有重量轻 强度大 弹性高 耐热性强 耐低温性能及耐腐蚀等优特性 因此钛合金于1957年开始被广泛的运用在太空及航空科技上 被誉为 未来的金属 是具相当发展前途的工程材料 钛合金可以运用在航海业 化工业 电子业 电镀业 食品业 医疗设备 发电厂 海水淡化系统 钟表 电脑 厨具 艺品 都可看到钛金属之产品 甚至行动电话外壳亦有用到 另外还有像人工植齿 牙套 人工骨骼等等都可以利用钛合金特性来制作成品 佳工机电网www newM 钛及钛合金之分类 纯钛金属 具有优越的机械加工成型性以Ti 75表示 Titanium 钛在室温中以六边形晶体 商品标示为8Al 1Mo 1V Ti 简称Ti8 1 1 Titanium 钛结晶同时具有六边形晶体及体心立方 商品标示为Ti 6Al 4V Titanium 钛结晶为体心立方 商品标示为Ti 13V 11Cr 3Al 佳工机电网www newM 钛及钛合金 特点 工作温度可到427 左右极佳的防腐性加工时必须与空气隔绝钛金属熔点 1668 钛金属沸点 3000 纯钛 钛合金 Alpha Beta 之原材料颜色为灰色 而Beat钛则呈深灰色 Beta钛之材料抗拉强度比钛合金 Alpha Beta 好 而钛合金 Alpha Beta 之抗拉强度则较纯钛强 佳工机电网www newM 镁合金 MagnesiumAlloys 镁 质量轻 比刚性与比强度极佳 在金属分别占第一位与第二位 比强度仅次于钛 是最轻的结构用金属 近年来全球性的潮流 是节省能源与环保因素需要相互配合 使得镁合金由航太用金属扩散至商业用金属基本材料 镁合金物理特性 镁的原子结构是六方形状堆积 密度 20 1 1 738 熔点 650 沸点 1103 8 是属于活性的金属 具有高度自燃性 航空商品为AZ31B 佳工机电网www newM 镁合金材料特性 质轻较铝轻1 3 仅是铁的1 4重 单位强度与钢性优于铝与铁 尺吋安定性高 不易因环境温度变化及时间而改变 吸震性佳 可降低噪音 增长机械装置寿命 无磁性 能防电磁波干扰 抗蚀性佳 耐磨性佳 热传导性佳 可铸性 可焊性佳 易加工 为新一代铝合金的代替品 佳工机电网www newM 铜及铜合金 铜是人类最早发现的古老金属之一 早在三千多年前人类就开始使用铜 铜具有许多可贵的物理化学特性 例如其热导率和电导率都很高 化学稳定性强 抗张强度大 易熔接 具抗蚀性 可塑性 延展性 纯铜可拉成很细的铜丝 制成很薄的铜箔 能与锌 锡 铅 锰 钴 镍 铝 铁等金属形成合金 纯铜主要用途为电导体 此外在散热器及热交换器也具有主要的地位 佳工机电网www newM 黄铜 Brass 铜和锌合金俗称黄铜 是铜合金中应用最广的合金 此相具有FCC体结构 而 铜相对柔软 具延性和易于冷加工 在室温黄铜合金具高锌含量并含 和 相 相是有序BCC晶体结构且比 相更强硬 结果 合金通常是热加工 黄铜合金的某些常见应用包括服装饰物 弹砲外壳 自动散热片 音乐装备 电子封装和钱币等 佳工机电网www newM 铜及其合金 青铜 bronze 青铜是铜和数种其它元素包括锡 铝 硅和镍的合金 这些合金比黄铜强硬 它们也具高度的抗蚀性 最常见可析出硬化的铜合金是敛铜 它们拥有极优性质的组合 抗拉强度有140MPa 200 000psi 那样高 有极佳电和耐蚀性质 当适当润滑有极佳耐磨耗性 它们可以用铸造 热加工或冷加工 藉着析出硬化热处理可获得高强度 佳工机电网www newM 复合材料 复合材料由基材 Matrix 及强化材复合而成基材 橡胶 塑胶 金属 陶瓷强化材 粒子 短纤维 长纤维 连续纤维 薄片 织布 佳工机电网www newM 纤维强化橡胶 Fiberreinforcedrubber FRR纤维强化塑胶 Fiberreinforcedplastic FRP纤维强化金属 Fiberreinforcedmetal FRM纤维强化陶瓷 Fiberreinforcedceramic FRC 佳工机电网www newM 纤维强化橡胶 天然树汁液涂于布上轮胎 佳工机电网www newM 纤维强化塑胶FRP 高模数 modulus或称弹性率 树脂陆续研制成功 使复合材料的种类逐渐增多 应用范围扩大 石墨纤维 环氧树脂 克维拉纤维 环氧树脂 碳素纤维 聚酝亚胺树脂 碳素纤维 碳素 carbon carbon C C 等组合而迈向所谓尖端复合材料的开发与实用化阶段 并继续发展至今 佳工机电网www newM 纤维强化金属FRM 将耐热性 高模数 高强度纤维埋入金属基材可以复合成耐热性优异的复合材料 FRM的加工比FRP困难 以致FRM产量的增加及应用范围的扩大都比FRP缓慢 B Al 棚纤维 铝金属 可作为结构材料 发展至近年能用于金属复合材料的金属有Al Mg Ti Cu Pb等 至于纤维有B SiC B4C B SiC B 佳工机电网www newM 纤维强化陶瓷FRC 陶瓷的弱点是脆性 优点是耐高热 陶瓷复合材料属无机材料 其发展的历史没有塑胶复合材料的长久 应用范围比塑胶复合材料窄 陶瓷复合材料 是在陶瓷基材 ma田X 中加入须晶 whisker 或长纤维等 以增加其刚性 佳工机电网www newM 比强度与比弹性率之关系 佳工机电网www newM 各种材料的耐热温度 佳工机电网www newM 玻璃纤维 由组成玻璃的物质经过高温熔融 延伸而成 其细度约仅人类头发的十分之一左右 具有耐高温 不腐蚀 不燃烧 高强力及尺寸安定性及低的热膨胀系数与疏水性 佳工机电网www newM 玻璃纤维之种类 E玻璃纤维 产量约90 电气抵抗及化学抵抗大 品质优异C玻璃纤维 耐硷性A玻璃纤维 价廉 佳工机电网www newM 碳纤维 制造碳素纤维的原料有四种1 沥青 Patch 蒸馏原油制造汽油的副产物2 木质素 ligman 造纸工厂 制造纸浆时的副产物3 嫘萦纤维 rayon 用木材纸浆制得的半化学纤维4 聚丙烯睛纤维 PAN 用PAN纤维制造的碳