第一章-常用航空材料

第一章常用航空材料前言•材料是人类社会发展的重要物质基础，是现代科学技术和生产发展的重要支柱之一，也是一个国家科技水平与工业水平的体现。当前大飞机的立项与神舟7号的成功，为国人长志气，为世人所瞩目，是我国宇航工作者的骄傲，也是材料工作者的光荣。一代材料技术一代大型飞机•第一阶段（1903～1919年）：木、布结构•第二阶段（1920～1949年）：铝、钢结构•第三阶段（1950～1969年）：铝、钛、钢结构•第四阶段（1970～21世纪初）：铝、钛、钢、复材料结构（以铝为主）•第五阶段（21世纪初～）：复合材料、铝、钛、钢结构（以复合材料为主）C-17运输机钛用量10.3%（钛零件总重6.8吨）铝合金用量69.3%，钢用量12.3%复合材料用量8.1%欧洲军用运输机A400M复合材料用量35%～40%空中“泰坦尼克”A380，铝合金61%，复合材料用量22%，钛合金用量10%。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%波音787复合材料用量50%，铝合金用量20%，钛用量15%，钢用量10%1．1金属材料的力学性能及工艺性能•1．1．1力学性能•金属材料抵抗不同性质载荷的能力，通常又称为机械性能。•机械性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和抗疲劳性能等。1、强度和塑性•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•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。•材料的强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗扭和抗剪等强度。强度极限–材料在断裂时承受的最大应力称为强度极限σb，即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。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。•伸长率（δ）•断面收缩率（ψ）塑性指标(1)伸长率试样拉断后，标距长度增长量与原始标距长度之比称为伸长率δ，即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。(2)断面收缩率试样被拉断后，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。2.硬度•硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。•最常用的硬度法：布氏硬度法和洛氏硬度法。布氏硬度计与洛氏硬度计硬度计的应用范围•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。–根据压头的种类和所加载荷的大小分为HRB、HRC和HRA三种。–1HRC≈10HBS韧性和疲劳强度•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。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。冲击试验来测定k：势能→动能→对试件的冲击载荷。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•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高的材料称为塑性材料。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。疲劳强度•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疲劳强度。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。1.1.2金属的工艺性能金属接受工艺方法加工的能力称为金属的工艺性能。(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。–金属的锻造性是指金属在加热状态下接受压力加工的能力。–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。(3)焊接性：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。–金属材料的焊接性是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。(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。1.2黑色金属材料•介绍碳钢、铸铁以及各种合金钢的成份特点、热处理工艺、组织、性能及应用。一般了解有色金属性能特点和应用。分为两大类•●黑色金属（铁铬锰）•铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁金）；•●有色金属•包括黑色金属以外的所有金属及其合金。3.2铸铁铸铁是碳质量分数大于2.11%、含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁生产设备和工艺简单，价格便宜，具有许多优良的使用性能和工艺性能，应用广泛。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁分类①灰口铸铁。含碳量较高（2.7％～4.0％），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（1145～1250℃），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。②白口铸铁。碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。③可锻铸铁。由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。④球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。⑤蠕墨铸铁。将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。⑥合金铸铁。普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。灰铸铁价格便宜、应用最广。灰铸铁的牌号HT150、HT250、HT400“HT”表示“灰铁”，数字表示最低抗拉强度。灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体。灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：2.5%～4.0%C;1.0%～2.0%Si。灰铸铁的应用叶轮发动机飞轮箱体启动阀灰铸铁铸造性能优良、价格便宜，但强度较低、韧性差。制造机床床身、床头箱、阀体、叶轮、飞轮等。1.2.2钢工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量不大于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了改善钢的某些性能而加入一定量的某种或几种合金元素所获得的铁基合金。碳钢的不足：•碳钢淬透性低，不适易形状复杂和尺寸大的工件；•只能水冷，易变形开裂，性能不均；•强度和屈强比低；•回火稳定性差；•不能满足特殊性能的要求。耐热、耐蚀、抗氧化、耐磨、红硬性等。齿轮刀具•2.钢的牌号•我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。•采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.碳素结构钢牌号:Q+数字—质量等级·脱氧程度符号例：Q235—A·F（屈服强度235MPa,A级沸腾钢）（Q屈服点“屈”字拼音首字母。数字为屈服强度数值。质量等级A、B、C、D四级）Q215Q255Q195Q235Q275塑性好，钢板、钢筋、型钢、螺钉、螺帽。｛｛强度高的型钢、钢板做较大型构件。重要焊接结构件齿轮加工方钢•优质碳素结构钢•牌号用两位数字表示。•这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。•如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。钢带•*说明：•①含Mn量为0.7~1.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②对于沸腾钢和半镇静钢,在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。③高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。•铸钢•ZG+两位数字•ZG表示“铸钢”；•两位数字表示平均含碳量的万分之几,如ZG25.铸钢件2.5吨大齿轮铸件3.钢的热处理•热处理是将固态金属或合金以一定的速度加热到一定的温度并保温一定时间，再以预定的冷却速度进行冷却，以改变其内部金相组织，从而获得所需要性能的一种工艺过程。温度和时间是影响热处理的主要因素。一、钢热处理方法的分类•钢的热处理分为以下几种基本类型：•在实际生产中又分为预备热处理和最终热处理。–为使加工的零件满足使用性能要求而进行的热处理叫做最终热处理；–而为了消除前一道工序造成的某些缺陷，或为后面的加工做好准备的热处理叫做预备热处理。1）退火和正火(1)退火------将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，后缓冷却的热处理工艺叫做退火。据处理的目的和要求不同，钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等等。退火的目的:降低硬度,提高塑性.细化晶粒，消除内应力（2）正火钢材或钢件加热到临界温度以上，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的人处理称为正火。改善了材料的综合力学性能，得到较高的强度和硬度。正火与完全退火的主要差别在与冷却速度快些，目的是使钢的组织正常化，所以亦称常化处理，一般应用于以下方面：1.作为最终热处理正火可以细化晶粒，使组织组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强读、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不很高时，可以正火作为最终热处理。2.作为预先热处理截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前长进行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。3.改善切削加工性能低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善其切削加工性能。2）淬火和回火(1)淬火将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火是钢的最重要的强化方法。淬火温度的选定一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为Acэ以上３０℃～５０℃共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac