飞机结构与系统(第五章 飞机结构材料)

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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。
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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
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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。
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合金结构材料
四、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，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用于制造轴、重要齿轮、活塞等零件。
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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）；
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合金结构材料
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合金结构材料
一、铝合金
1. 特点 较高的比强度(σ b/ρ )、比刚度(E /ρ ) 、疲劳强度，工艺性能好。
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。 南京航空航天大学民航学院
复合材料
3. 应用
航空结构材料性能
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复合材料
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。
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本章思考题
1. 飞机上常用的材料有哪些
2. 钛合金的优、缺点
3. 什么是复合材料，其优缺点
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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。
•
•
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 。
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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，通常不经热处理 。 • 铸造镁合金） ZM5和ZM6等。
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合金结构材料
二、镁合金
3. 应用
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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
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200°C～ 300°C）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)
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复合材料
3. 应用
某军用机结构材料
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复合材料
3. 应用
某客机结构材料
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复合材料
3. 应用
某客机结构材料
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复合材料
3. 应用
表 民用飞机结构用材料重量百分比
重量百分比
复合材料 第1代 第2代 Boeing707 Boeing747 A300 Boeing767 第3代 Boeing757 A320 第4代 Boeing777 A340 1 5 3 3 5.5 11 8 81 76 80 78 76.5 70 75 铝合金 钛合金 0.2 4 4 2 6 4.5 7 6 13 13 14 12 13.5 11 8 钢
2. 分类 • 变形铝合金（借助变形生产板材、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)。
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合金结构材料
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复合材料
3. 应用 国外先进战斗机的复合材料使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。
性能。
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合金结构材料
三、钛及钛合金
1. 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550°C） 。 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350°C以下工作的飞机构件，如超音速飞 机蒙皮等。 • 钛合金 α型（TA）、β型（TB）、（α+β）型（TC）钛合金 ； 铸造钛合金(ZT)。 南京航空航天大学民航学院
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三、钛及钛合金
3. 应用
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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-15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。
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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、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。 南京航空航天大学民航学院
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合金结构材料
一、铝合金
3. 应用
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合金结构材料
一、铝合金
3. 应用
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合金结构材料
一、铝合金
3. 应用
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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。
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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。
合金结构材料
四、合金结构钢
分类及应用 • 超高强度钢 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。
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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。