Конструкционные материалы для летательных аппаратов

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

для

летательных аппаратов

1. Основания выбора материалов

Выбирая материал для силовых элементов конструкции, учитывают его механические, теплофизические характеристики, удельный вес, коррозионную стойкость, стоимость и дефицитность сырья, а также возможность обработки материала современными  производственными процессами (прессование, штамповка, прокатка, литьё, химическое фрезерование, сварка и др.). Выбор материала зависит от размеров и формы конструктивного элемента и условий, в которых он работает под нагрузкой. Эти условия характеризуются следующим:

- величиной, направлением и продолжительностью действия нагрузки;

- максимальной температурой;

- видом нагрузки (постоянная, плавно изменяющаяся, ударная, циклическая и т. п.);

- наличием концентрации напряжения и др.

2. Критерии эффективности материала

В качестве критериев весовой эффективности конструкционных материалов обычно используют характеристики удельной прочности и удельной жёсткости.

Удельная прочность  - это отношение предела прочности σ_i материала к удельному весу γ. В зависимости от вида деформации (растяжение, сжатие или сдвиг) под σ_i  соответственно понимают предел прочности материала (временное сопротивление) при растяжении σ_в, разрушающие напряжения при сжатии σ_сж или разрушающие касательные напряжения τ_в. Отношение  имеет размерность длины

. Физически величина   представляет собой длину вертикального элемента с постоянным поперечным сечением, который разрушается под действием собственного веса.

При изгибе и кручении о весовой эффективности материала судят по величине отношений 

   и   .

Удельная жёсткость - это отношение модуля упругости Е материала к его удельному весу. При продольном изгибе стержней критерием оценки весовой эффективности материала является отношение   или , а при работе тонких пластин на сдвиг -  или .

Чем больше значения величин   и , тем более лёгкой (при прочих равных условиях) будет конструкция. Это справедливо также для конструкций, работающих при повышенной температуре. В последнем случае значения  σ_в и  Е  берут с учётом нагрева.

Если конструкция подвергается в полёте неравномерному нагреву, то помимо механических характеристик материала существенное значение приобретают его теплофизические свойства (коэффициент линейного расширения α, теплопроводность λ и др.).  Чем больше α и модуль упругости Е, тем больше величина температурных напряжений при заданном градиенте температур ΔΤ. Критерий весовой эффективности материала конструкции, работающей в условиях неравномерного нагрева, может быть записан в виде   .

3. Краткая характеристика конструкционных материалов

Для элементов каркаса самолёта (стрингеров, нервюр, шпангоутов, стенок, лонжеронов) и обшивки используют преимущественно алюминиевые сплавы. Наиболее нагруженные силовые элементы с относительно малыми габаритными размерами, такие как узлы крепления крыла и шасси, поясá лонжеронов, фермы крепления двигателей, стойки шасси и другие изделия, выполняют из высокопрочных легированных сталей. Для конструкций, работающих в условиях повышенных температур, применяют титановые сплавы и нержавеющие стали.

Алюминиевые сплавы обладают небольшим удельным весом: γ = 2,8 ÷ 2,85 Г/см³ и относительно высокой прочностью при комнатной температуре.

Для  Д16 предел прочности σ_в = 40 ÷ 45 кГ/мм²;

Для  В95     - // -    - // -          σ_в = 60 ÷ 62 кГ/мм².

Удельная прочность Д16, таким образом, , а

- // -        - // -        В95         →     , что превышает удельную прочность легированной стали 30ХГСА  .

Для справки:

Алюминий - серебристо-белый пластичный металл. Плотность, г/см³: при 20˚С – 2,7; расплава при 800˚С – 2,3. Температура плавления 658 – 660,24˚С, кипения 2200˚С. Алюминий первичный в чистом виде для производства не применяется, регламентируется ГОСТ 11069-74.

Соединения алюминия с кремнием, марганцем, медью и другие, образуют более прочные сплавы.

Алюминиевые сплавы в соответствии с основными компонентами (основой) получили названия: с и л у м и н ы (алюминий – кремний), д ю р а л ю м и н ы (алюминий – медь – марганец), м а г н а л и и (алюминий – марганец). В зависимости от назначения подразделяются на литейные и деформируемые – до 80% всего выпуска алюминиевых сплавов.

Литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 2685-75) предназначены для изготовления фасонных отливок. Выпускаются 35 марок. Вид термообработки отливок [Т1 – искусственное старение без предварительной закалки, Т2 – отжиг, Т4 – закалка, Т5 – закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение, Т6 – закалка и полное искусственное старение, Т7 – закалка и стабилизирующий отпуск, Т8 – закалка и смягчающий отпуск].

Деформируемые алюминиевые сплавы поставляются в виде листового проката (преимущественно), фасонного профиля, сортовых прутков проволоки и труб, в основном прессованных.

Плиты алюминиевые (ГОСТ 17232-71) изготовляются из алюминия АД0, АД1 и алюминиевых сплавов АМц, АМцС, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6, АВ, Д1, Д16, Д19, Д20, В95 и АК4-1 горячей прокаткой. Толщина 12-200 мм, ширина 1000-2500 мм и длина 2000-8000 мм.