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航空机械基础航空机械基础第一章第一章常用航空材料常用航空材料1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2一代材料技术一代材料技术一代大型飞机一代大型飞机第一阶段（19031919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、复合材料结构（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）3C-17运输机运输机钛用量钛用量10.3%（钛零件总重（钛零件总重6.8吨）吨）铝合金用量铝合金用量69.3%，钢用量，钢用量12.3%复合材料用量复合材料用量8.1%4欧洲军用运输机欧洲军用运输机A400M复合材料用量复合材料用量35%40%5空中空中“泰坦尼克泰坦尼克”A380，铝合金，铝合金61%，复合，复合材料用量材料用量22%，钛合金用量，钛合金用量10%6空中客车空中客车A350复合材料用量复合材料用量37%铝锂合金用量铝锂合金用量23%铝合金用量铝合金用量11%钛合金用量钛合金用量9%钢用量钢用量14%其它用量其它用量6%7波音波音787复合材料用量复合材料用量50%50%，铝合金用量，铝合金用量20%20%，钛用量，钛用量15%15%，钢用量，钢用量10%10%81 11 1金属材料的力学性能及工艺性能金属材料的力学性能及工艺性能111力学性能力学性能金属材料抵抗不同性质载荷的能力，通常又称为金属材料抵抗不同性质载荷的能力，通常又称为机械性能。
机械性能机械性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和抗疲机械性能指标：强度、塑性、硬度、韧性和抗疲劳性能等劳性能等91、强度和塑性、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10强强度度弹性模量（E）弹性极限（e）屈服极限（s或0.2）强度极限（b）金属在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度金属在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度11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强度极限材料在断裂时承受的最大应力称为强度极限b，即 b=Pb/F0(MPa)材料的强度极限b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一12塑塑 性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（德尔塔）断面收缩率（服艾）13塑性指标塑性指标(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，即=（lk-lo）lo100%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。
即=(Fo-Fk)/Fo100%金属材料的伸长率和断面收缩率越大，材料的塑性越好142.硬度硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标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最常用的硬度法：布氏硬度法和洛氏硬度法15布氏硬度计与洛氏硬度计布氏硬度计与洛氏硬度计16硬度计的应用范围硬度计的应用范围布氏硬度（布氏硬度（HB）：压痕面积大，能反映出较大范围：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度，也不能测试硬度高于HB450的金属材料的金属材料洛氏硬度（洛氏硬度（HR）：压痕小，可以在制成品或较薄的：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根据压头的种类和所加载荷的大小分为HRB、HRC和和HRA三种。
三种1HRC10HBS17韧性和疲劳强度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18冲击试验来测定冲击试验来测定 k：势能势能动能动能对试件的冲击载荷对试件的冲击载荷GH1-GH2=Ak(J)Ak摆锤冲断试样消耗的功摆锤冲断试样消耗的功 k=Ak/S(Jcm2)S试样缺口处横截面积试样缺口处横截面积 k可用来评定材料韧性和脆性程度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，在低的材料称为脆性材料，在断裂前没有明显的塑性变形，断裂前没有明显的塑性变形，吸收能量少，抵抗冲击载荷的吸收能量少，抵抗冲击载荷的能力低；能力低；k高的材料称为塑性材料在高的材料称为塑性材料在断裂前有明显的塑性变形，吸断裂前有明显的塑性变形，吸收能量多，抵抗冲击载荷的能收能量多，抵抗冲击载荷的能力强力强19疲劳强度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称为交变应力201.1.2金属的工艺性能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)(1)铸造性：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21(2)(2)锻造性锻造性：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22(3)焊接性焊接性：焊接工艺一般分为熔焊和钎焊两大类：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23(4)(4)切削加工性：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241.2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属性能特点和应用25分为两大类分为两大类 黑色金属黑色金属（铁（铁 铬铬 锰）锰）铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）；铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）；有色金属有色金属 包括黑色金属以外的所有金属及其合金。
包括黑色金属以外的所有金属及其合金261.2.1 1.2.1 铸铁铸铁 铸铁是碳质量分数大于铸铁是碳质量分数大于2.11%2.11%、含有较、含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金多的硅、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，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，应具有许多优良的使用性能和工艺性能，应用广泛用广泛碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素主要元素27铸铁分类铸铁分类灰口铸铁含碳量较高（灰口铸铁含碳量较高（2.72.74.04.0），碳主要），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁熔以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁熔点低（点低（0），凝固时收缩量小，抗压强），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、箱体等结构件身、汽缸、箱体等结构件白口铸铁碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态白口铸铁碳、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、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作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件28可锻铸铁由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈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、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能承受强动载荷的零件球墨铸铁将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，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、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汽车零部件及农机具等29蠕墨铸铁将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，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，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。
造汽车的零部件合金铸铁普通铸铁加入适量合金元素（如硅、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）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、仪表等特性用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件等的零部件30 灰铸铁灰铸铁 价格便宜、应用最广价格便宜、应用最广灰铸铁的牌号灰铸铁的牌号 HT150HT150、HT250HT250、HT400 HT400 “HT”“HT”表示表示“灰铁灰铁”，数字表示最低抗拉，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强度灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体光体三种基体灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：下范围：2.5%2.5%4.0%C;1.0%。
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