工程材料的分类与选用
———— 大飞机对材料的选用
工程材料有各种不同的分类方法。一般都将工程材料按化学成分分为:
金属材料(Metals materials)；
陶瓷材料 (Ceramics materials)；
高分子材料(High polymer materials)；
复合材料(Composites materials)；
功能材料(Functional materials)。
大型运输类飞机在国内外都有巨大的市场需求，对我国国民经济发展和科技进步有重大带动作用。发展我国大型飞机产业，研究生产具有自主知识产权和为市场所接受的大型运输类飞机，并在商业竞争中取得成功，实现航空工业产业大发展，是国家的意志，也是提高综合国力的必然要求。对飞机结构设计而言，除了安全因素之外，减轻结构重量是另一主要技术要求。飞机结构重量占全机重量之比值是衡量飞机结构设计先进性的最重要指标。大型飞机讲求安全性、经济性、舒适性、环保性。合理的结构选材方案不仅是大型飞机能否获得商业成功的技术保障，而且将有利于提升先进结构材料的研究水平和应用水平。
一、金属材料(Metals materials)
金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属和其合金分为两大部分：
?   黑色金属材料：铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)；
有色金属材料：黑色金属以外的所有金属及其合金。
应用最广的是黑色金属。以铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料90％以上。黑色金属材料的工程性能比较优越，价格也较便宜，是最重要的工程金属材料。有色金属按照性能和特点可分为：轻金属、易熔金属、难熔金属、贵金属、稀土金属和碱土金属。它们是重要的有特殊用途的材料。有色金属中广泛应用于飞机工程中的有铝合金和钛合金。
黑色金属
含碳量小于 2.11 ％的合金称为钢，含碳量大于 2.11 ％的合金称为铸铁。
（1）钢及其合金的分类
钢的力学性能决定于钢的成分和金相组织。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影响。
在工程中更通用的分类为：
1）按化学成分分类。可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。
2）按主要质量等级分类：
① 普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳素钢；
② 普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢；
③ 普通合金钢、优质合金钢和特殊质量合金钢。
（2）工程中常用钢及其合金的性能和特点
1）碳素结构钢。
碳素结构钢生产工艺简单，有良好工艺性能（如焊接性能、压力加工性能等），必要的韧性、良好的塑性以及价廉和易于大量供应，通常在热轧后使用。在桥梁、建筑、船舶上获得了极广泛的应用。
2）低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢比碳素结构钢具有较高的韧性，同时有良好的焊接性能、冷热压力加工性能和耐蚀性，部分钢种还具有较低的脆性转变温度。
3）合金结构钢。合金结构钢广泛用于制造各种要求韧性高的重要机械零件和构件。形状复杂或截面尺寸较大或要求韧性高的淬火零件，一般为合金结构钢。
4）不锈耐酸钢。它在化工、石油、食品机械和国防工业中广泛应用。
按不锈钢使用状态的金相组织，可分为铁素体、马氏体、奥氏体、铁素体加奥氏体和沉淀硬化型不锈钢五类。
① 铁素体型不锈钢。铬是铁素体型不锈钢中的主要合金元素。高铬钢有良好的抗高温氧化能力，在氧化性酸溶液，如硝酸溶液中，有良好的耐蚀性，故其在硝酸和氮肥工业中广泛使用。高铬铁素体不锈钢的缺点是钢的缺口敏感性和脆性转变温度较高，钢在加热后对晶间腐蚀也较为敏感。
② 马氏体型不锈钢。铬是钢中的主要合金元素。通常用在弱腐蚀性介质，如海水、淡水和水蒸汽等中，使用温度小于或等于580℃ 、通常作为受力较大的零件和工具的制作材料，由这种钢焊接性能不好，故一般不用作焊接件。
③ 奥氏体型不锈钢。钢中主要合金元素为铬和镍。这类钢具有高的韧性、低的脆性转变温度、良好的耐蚀性和高温强度、较好的抗氧化性以及良好的压力加工和焊接性能。
④ 铁素体+奥氏体型不锈钢。
⑤ 沉淀硬化型不锈钢。这类钢主要用于制造要求高强度和耐蚀的容器、结构件零件，也可用作高温零件，如汽轮机零件。
5）铸钢。铸钢具有较好的强度、塑性和韧性，可以铸成各种形状、尺寸和质量的铸钢件。
（3）铸铁的分类。大部分机械设备的箱体、壳体、机座、支架和受力不大的零件多用铸铁制造。某些承受冲击不大的重要零件，如小型柴油机的曲轴，多用球墨铸铁制造。其原因是铸铁价廉，切削性能和铸造性能优良，有利于节约材料，减少机械加工工时，且有必要的强度和某些优良性能，如高的耐磨性、吸震性和低的缺口敏感性等。
1）铸铁的分类
按照石墨的形状特征，铸铁可分为灰口铸铁（石墨成片状）、球墨铸铁（石墨成球状）和可锻铸铁（石墨成团絮状）三大类。
按照铸铁成分中是否含有合金元素，可分为一般铸铁和合金铸铁两大类。一般铸铁可分为普通铸铁和变质（孕育）铸铁。
2）工程中常用铸铁的性能和特点：
① 灰口铸铁。基体可以是铁素体，珠光体或铁素体加珠光体，相当于钢的组织。
② 球墨铸铁。球墨铸铁综合机械性能接近于钢。可用球墨铸铁来代替钢来制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。
③ 蠕墨铸铁。蠕墨铸铁的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；同时又有灰口铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。
④ 可锻铸铁。可锻铸铁可以部分代替碳钢。
⑤ 耐磨铸铁。耐磨铸铁是在磨粒磨损条件下工作的铸铁，应具有高而均匀的硬度。
⑥ 耐热铸铁。耐热铸铁是在高温下工作的铸件，如炉底板、换热器、钳锅、热处理炉内的运输链条等。
⑦ 耐蚀铸铁。耐蚀铸铁是主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。
（4）飞机中应用的结构钢与不锈钢
结构钢与不锈钢是飞机的重要结构材料之一。虽然作为结构材料其用量比例在逐渐减少，但对于自身重量及载重量均很大的飞机来说，一些主要的承力构件如起落架外筒、内筒、重要轴类、重要接头、螺栓等仍需要超高强度钢和高强度钢制造，尤其对工作条件极其苛刻，承受巨大的载荷的起落架部件，非超高强度钢莫属。 
1）用超高强度钢40CrNi2Si2MoVA（300M）或CNG2000（AerMet100）制造起落架主承力件。
2）用具有高强度与高韧性的16Co14Ni10Cr2Mo（AF1410）钢制造平尾大轴。
3）襟翼滑轨、作动筒、螺杆等重要承力构件可采用30CrMnSiNi2A钢制造。
4）选用沉淀硬化不锈钢（如PH13-8Mo、1Cr15Ni4Mo3N、0Cr17Ni5Mo3、0Cr16Ni6等）制造多种重要承力、抗腐蚀、抗应力腐蚀接头等零件，降低零部件因腐蚀或腐蚀疲劳而引起的破坏几率。
5）用0Cr21Ni6Mn9N钢管材制造液压系统导管。
6）用0Cr18Ni9钢板材和带材制造冷变形成型零件。
2 、有色金属
（1）铝及其合金
工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。
1）防锈铝合金（LF）。主要用于焊接件、容器、管道或承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。
2）硬铝合金（LY）。低合金硬铝塑性好，强度低。主要用于制作铆钉，常称铆钉硬铝；标准硬铝合金强度和塑性属中等水平。主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋桨叶片及大型铆钉等重要零件；高合
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