飞机维修工程吕晓静63课件

第二章航空材料飞机维修工程学院吕晓静点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本C919飞机采用我国自主研发制造的先进航空材料碳纤维复合材料、第三代铝锂合金。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1金属材料的基本概述2.2碳钢和合金钢2.3有色金属2.4复合材料和非金属材料第二章航空材料点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1金属材料的基本概述金属材料是航空工业的基本材料。飞机结构应选用轻质、高强度和高模量的材料。综合考虑材料的韧性、疲劳和断裂特性、耐蚀性以及材料的市场价格。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.1金属材料的基本性能纯金属由单一金属元素组成的合金由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质，如黄铜、碳钢等。金属按其成分可分为：纯金属和合金2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.1金属材料的基本性能物理性能：颜色、比重、密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等化学性能：抗腐蚀性、热安定性等机械性能：强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性等工艺性能：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理性等2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本物理性能(1)颜色：根据颜色可将金属分为黑色金属和有色金属。铁、锰、铬是黑色金属，其余的金属都是有色金属。(2)比重：比重是单位体积金属的重量（MPa／m），用符号

表示。根据比重可以将金属分为轻金属和重金属两大类。(3)熔点：金属加热时由固态变为液态时的温度。根据熔点的高低，又可将金属分为易熔金属和难熔金属。（700℃）(4)导电性：金属传导电流的能力。金属的导电性用金属的电阻率(

电)来表示，单位是

·mm2／m。

越大，金属的导电性越差。银的导电性最好，铜和铝次之。化学性能机械性能工艺性能2.1.1金属材料的基本性能2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.1金属材料的基本性能

(5)导热性：金属传导热量的能力。金属的导热性常用热导率(导热系数

)来表示，常用的单位是W／(m·K)。导热系数越大，金属的导热性越好。一般情况下金属的导热能力要比非金属大得多。金属的导电性和导热性有密切的关系，导电性好的金属导热性也好。(6)热膨胀性：金属在温度升高时体积胀大的性质。通常用线膨胀系数(

1)来表示，单位是K-1。线膨胀系数越大，热膨胀性就越大。

飞机结构铝合金的线膨胀系数大约为合金钢的两倍，这是造成飞机软操纵系统钢索张力随温度变化的主要原因。

(7)磁性：金属被磁场磁化或吸引的性能。磁性最强的金属是铁、镍、钴。物理性能化学性能机械性能工艺性能2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.1金属材料的基本性能金属材料的化学稳定性主要影响到飞机结构的抗腐蚀能力。而腐蚀就是金属与周围介质发生化学和电化学作用而遭受破坏的现象。金属的化学稳定性不同，抵抗腐蚀的能力也不同。金银镍铬等金属抵抗腐蚀的能力较强，而镁、铁等金属抵抗腐蚀的能力较差。物理性能化学性能机械性能工艺性能2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本物理性能机械性能化学性能工艺性能3.2.1金属材料的基本性能金属在载荷作用下抵抗破坏和变形的能力。

飞机结构在使用中要承受各种载荷，所以，金属材料的机械性能是飞机结构设计和选择材料的重要依据。2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本物理性能工艺性能机械性能化学性能3.2.1金属材料的基本性能金属接受工艺方法加工的能力。

(1)铸造性：将熔化的金属浇铸到铸型中制造金属零件的方法叫铸造。金属的铸造性是指金属是否适合铸造的性质。铸造性好通常是指金属熔化后流动性好，吸气性小，热裂倾向小，冷凝时收缩性小等性质。铸铁、青铜等具有良好的铸造性。(2)锻造性：金属的锻造性是指金属在加热状态下接受压力加工的能力。（金属在冷、热状态下，由于外力作用产生变形而得到所需形状和尺寸的加工方法，称为压力加工。碾压、冲压、模锻、自由锻等都属于压力加工。）金属的塑性越大，变形的抗力越小，锻造性就越好。常用的金属中，低碳钢、纯铜等的锻造性比较好，而铸铁不能锻造。2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本3.2.1金属材料的基本性能(3)焊接性：指在采用一定的焊接工艺方法、焊接材料、工艺参数等条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接工艺一般分为熔焊和钎焊两大类：①熔焊：将两个工件的结合部位加热到熔化状态，冷却后形成牢固的接头，使两个工件焊接成为一个整体。一般还要在结合部位另加填充金属。熔焊一般又分为电焊和气焊。②钎焊：将两个工件的结合部位和作为填充金属的钎料进行适当的加热，钎料的熔点比工件金属的熔点低，在工件金属还没有熔化的情况下，将已熔化的钎料填充到工件之间，与固态的工件金属相互溶解和扩散，钎料凝固后将两个工件焊接在一起。2.1金属材料的基本概述物理性能工艺性能机械性能化学性能点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本3.2.1金属材料的基本性能(4)切削加工性：用切削工具进行加工时，金属表现出来的性能叫做金属的切削加工性能。

金属具有较好的切削加工性通常是指切削加工时，切削力小，切削碎屑容易脱落，切削工具不易磨损，加工后容易得到光洁度较高的加工表面。材料的切削加工性能主要决定于它们的物理性能和机械性能。强度高、硬度高的材料，塑性好的材料和导热性能差的材料，其切削加工性能都比较差。2.1金属材料的基本概述物理性能工艺性能机械性能化学性能点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能机械性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和抗疲劳性能等。金属的强度和塑性是通过拉力试验来测定。拉力试样通常有圆形截面的棒状和矩形截面的板状，在试件中间一段截面均匀的部分是试验段，其长度用l0表示，称为标距。强度：金属在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度。塑性：金属在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力叫塑性。2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本低碳钢的拉伸试验：应力--应变曲线（

--图）材料拉伸时的力学性能2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本3.3.2金属材料的机械性能

把试样承受的载荷P除以试样的原始横截面积F0，则得到试样所承受的拉应力

，即

把试样的伸长量△l除以试件原始的标距长度l0，则得到试样的相对伸长一应变

，即2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能强度指标：弹性模量（E）弹性极限（σe）屈服极限（σs或σ0.2）强度极限（σb）金属在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度。塑性指标：金属在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力叫塑性。伸长率（δ）

断面收缩率（ψ）

2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能弹性模量（E）强度指标

弹性模量E是引起材料发生单位弹性应变时所需要的应力，它表示了金属材料抵抗弹性变形的能力。材料的弹性模量E越大，在一定应力作用下，产生的弹性应变越小，材料的刚度就越大。指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值，即E=σ/ε

(MPa)

在材料弹性阶段，也就是op直线段所表示的阶段，E就是该直线段的斜率，等于常数。金属材料的弹性模量随着温度的升高而降低。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能弹性极限（σe）强度指标材料保持弹性变形的最大应力值称为弹性极限，用σe表示

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能屈服极限（σs或σ0.2）强度指标从拉伸示意图上看，曲线上出现一个小平台的这一阶段称为屈服段，试样屈服时的应力称为材料的屈服极限，也称为屈服强度σs

有些常用金属的拉伸曲线上没有明显的屈服段，因此规定，试样标距部分残余相对伸长达到原标距长度0.2％时的应力为屈服极限，也称条件屈服极限，用σ0.2表示。屈服极限反映了金属材料对微量塑性变形的抵抗能力，对于在使用中，不允许发生微小塑性变形的结构件来说，材料的屈服极限是很重要的性能指标。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能强度极限（σb）强度指标材料在断裂时承受的最大应力称为强度极限，用σb表示

σb=Pb

/F0

(MPa)材料的强度极限σb就是材料拉断时的强度，它表示材料抵抗拉伸断裂的能力，也称为拉伸强度，是评定金属材料强度的重要指标之一。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能伸长率（δ）塑性指标试样拉断后，标距长度增长量与原始标距长度之比称为伸长率δ

δ=（lk-lo）∕lo×100%对于塑性材料，拉断前会产生明显的颈缩现象，在颈缩部位产生较大的局部伸长。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能断面收缩率（ψ）

塑性指标

试样被拉断后，拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比称为断面收缩率ψ

。即

ψ=（Fo-Fk）∕Fo×100%

金属材料的伸长率δ和断面收缩率ψ越大，材料的塑性越好。

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能机械性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和抗疲劳性能等。布氏硬度法和洛氏硬度法硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能共同点：用一定的载荷将具有一定几何形状的压头压入被测试金属的表面，根据被压入的程度来测定金属材料的硬度值。2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能布氏硬度计洛氏硬度计2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能应用范围布氏硬度（HB）：压痕面积大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，适用于组织比较粗大且不均匀的材料，但不宜测试成品件或薄金属件的硬度，也不能测试硬度高于HB450的金属材料。洛氏硬度（HR）：压痕小，可以在制成品或较薄的金属材料上进行测试；而且，从较软材料到较硬材料，测试范围比较广泛。但对组织比较粗大且不均匀的材料，测量结果不准确。2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能

布氏硬度和金属材料的强度极限之间存在着近似的正比关系，硬度值大，材料的强度极限也大。通过布氏硬度可以近似确定材料强度极限，并可推断材料的热处理状态。对于硬度较小的材料，容易被划伤、碰伤和磨损，在维修工作中，应注意保护。金属材料的硬度对材料的机械加工性能也有影响。根据金属材料的硬度值可估计出材料的近似强度极限和耐磨性。2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能机械性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和抗疲劳性能等。韧性是指金属试样断裂时，吸收能量的能力。韧性好的金属材料，脆性就小，断裂时，吸收能量较多，不易发生脆性断裂。冲击韧性断裂韧性2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能

金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力称为冲击韧性。用冲击韧性值

k来表示，并需要进行冲击试验来确定。冲击韧性值

k就是冲断试样所消耗能量和试样断裂处横截面积的比值，单位是J/cm2。冲击韧性

势能→动能→对试件的冲击载荷。冲击试验来测定

k

GH1-GH2=Ak

(J)

Ak—摆锤冲断试样消耗的功

k

=Ak/S

(J/cm2)S—试样缺口处横截面积2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能

势能→动能→对试件的冲击载荷。冲击试验来测定

k

k可用来评定材料韧性和脆性程度。

k低的材料称为脆性材料，在断裂前没有明显的塑性变形，吸收能量少，抵抗冲击载荷的能力低；

k高的材料称为韧性材料,在断裂前有明显的塑性变形，吸收能量多，抵抗冲击载荷的能力强。

对于在使用中承受较大冲击载荷的构件来说，材料的冲击韧性是很重要的性能指标。如起落架结构中的承力构件就采用强度高、韧性好的合金钢来制造。2.1金属材料的基本概述冲击韧性点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能低应力脆断：就是在工作应力低于或远低于材料的屈服极限时发生的脆性断裂。多发生在高强度合金钢材料结构件和大型焊接结构中。

低应力脆断是结构件中原有缺陷形成的裂纹发生失稳扩展而引起的。所以，裂纹扩展难易，也就是裂纹扩展所需的能量大小，就成为判定材料是否易于断裂的一个重要指标。指金属材料对裂纹失稳扩展而引起的低应力脆断的抵抗能力。2.1金属材料的基本概述冲击韧性点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能指金属材料对裂纹失稳扩展而引起的低应力脆断的抵抗能力。在工程结构上，I型裂纹是最常见的、最危险的裂纹。构件承受垂直于裂纹面的拉力作用，裂纹表面的相对位移沿着自身平面的法线方向。2.1金属材料的基本概述断裂韧性点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能指金属材料对裂纹失稳扩展而引起的低应力脆断的抵抗能力。对于无限大厚板的中央穿透I型裂纹(张开型裂纹)的应力强度因子用KI表示。

式中：

——名义应力；a

——裂纹长度的一半决定构件中裂纹是否发生失稳扩展不是承力构件的平均应力，而是裂纹尖端附近区域应力的大小。为了研究裂纹尖端附近区域的应力情况，引进了一个表示裂纹尖端附近区域应力场强弱的因子，称为应力强度因子。2.1金属材料的基本概述断裂韧性点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能

式中：

——名义应力；a

——裂纹长度的一半应力强度因子：表示裂纹尖端附近区域应力场强弱的因子。随着

增加，KI也增加，当

增加到某一个临界值

c时，裂纹会突然失稳扩展，使构件发生脆性断裂。这时KI的临界值就称为临界应力强度因子，用KIc表示，也称为金属材料的平面应变断裂韧性。对于无限大厚板的中央穿透I型裂纹(张开型裂纹)的应力强度因子KI2.1金属材料的基本概述断裂韧性点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能

对于平面应变状态，I型裂纹发生裂纹失稳扩展的条件是：

KI是衡量裂纹尖端应力场强弱的一个物理量。它与外载荷大小，裂纹情况，构件结构几何形状和尺寸有关。与构件材料无关。

KIc是材料平面应变断裂韧性，它只与材料有关，是反映材料抵抗脆性断裂能力的一个重要的物理量。对于一定的材料，在一定工作环境下，它基本上是一个常数。2.1金属材料的基本概述断裂韧性点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能

材料的断裂韧性KIc

会随着材料屈服极限的提高而降低。所以，在航空材料的选用过程中，不能一味追求材料的高强度，应在满足断裂韧性需要的情况下，提高材料的静强度（σs、σb）性能。2.1金属材料的基本概述断裂韧性2.1.2金属材料的机械性能点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本金属材料在交变载荷作用下发生的破坏称为疲劳破坏。金属材料抵抗疲劳破坏的能力称为抗疲劳性能。交变载荷和交变应力：

交变载荷是指载荷的大小和方向随时间作周期性或者不规则改变的载荷。在交变载荷作用下，结构件的应力称为交变应力。2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能在交变载荷作用下，结构件的应力称为交变应力。交变载荷和交变应力应力幅值（Sa）：应力循环中的变化分量

最大应力（Smax）最小应力（Smin）平均应力（Sm）：应力循环中的静态分量2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能应力循环的性质由平均应力Sm和应力幅值Sa所决定。应力循环的特征由应力比R来表示：R=Smin/Smax2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能单向循环：应力仅改变大小，不改变符号(方向)。R≥0双向循环：应力的大小和方向都发生变化。R<0交变应力分为三种类型：R=-1时，称为对称循环；R=0时，称为脉动循环；R为其它任意值时，称为非对称循环。交变载荷和交变应力应力比

R=Smin/Smax2.1金属材料的基本概述点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本2.1.2金属材料的机械性能S－N曲线反映材料交变应力大小S与其疲劳寿命N之间的关系表征某种材料的抗疲劳破坏的特性，以及估计结构疲劳寿命。

利用若干个标准试件，在一定的平均应力Sm（或一定的循环特征R），不同的应力幅Sa（或不同的最大应力Smax）下进行疲劳试验，