第一章 航空材料概论
1.1 航空材料是航空工业主要基础航空材料与航空技术的关系极为密切，航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用：航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。
一、航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在“轻质高强、高温耐蚀”。
所谓“轻质高强”是指，要求材料的比强度高，即要求材料不但强度（静强度高、能承受大过载、疲劳强度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“为每一克减重而奋斗”，反映了减重对于航空产品的重大经济意义（见表1.1）。而且材料减重对飞机减重的贡献也越来越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。
表1.1 飞行器结构减重带来的效益（1990年数据）
机种
小型民用飞机
直升机
先进战斗机
商用运输机
超音速与高超音速运输机
航天飞机
美元/磅
50
300
400
800
3 000
30 000
“高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。
“耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。
当然，除以上性能外，对某些材料还要求有其他方面的性能，如：非金属材料要具有良好的耐老化性能和耐气候性能；透明材料要具有良好的光学性能；电工材料具有良好的电学性能；以及防火安全性能等等。
二、航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求。
航空器是技术密集、高集成度的复杂产品，只有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可靠、性能优良的飞机、发动机。
航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小批量、技术质量要求高等特点。
三、航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料。
新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。
1.2 航空材料的分类航空材料有不同的分类方式：
按成份可分为四大类：
金属材料：铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等。
无机非金属材料：玻璃、陶瓷等。
高分子材料：透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等。
先进复合材料：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料、碳/碳复合材料等。
按使用功能可分为两大类：
结构材料功能材料本课程主要介绍结构材料。所谓结构，是指由板、杆等承力单元件构成的承力系统，在载荷作用下，该系统只产生小的弹性形变，即系统应具有几何不变性。如承力系统是几何可变的，则承力系统不是结构，而是机构。以飞机为例，航空产品中典型的结构包括：机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼、各种操纵面、起落架（除传动机构之外的部分）等。用于加工制造这些结构的单元件的材料都属于结构材料。
1.3 航空材料的演变一、飞机结构材料的演变早期飞机的结构以木材、蒙布、金属丝绑扎而成（图1.1），后来又发展为木材与金属的混合结构。
图1.1 飞行者一号（复制品）
到了二十世纪三十年代，随着铝合金材料的发展，全金属承力蒙皮逐渐成为普遍的结构形式（图1.2）。
（a）Me 109型战斗机（德国，1935年）
（b）喷火式战斗机（英国，1936年）
图1.2 二十世纪三十年代出现了全金属承力蒙皮结构的飞机二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空结构材料的行列。四、五十年代，不锈钢成为航空结构材料。
到五十年代中期开始出现钛合金，嗣后并被用于飞机的高温部位。
二十世纪六十年代，开发出树脂基先进复合材料，后来在树脂基复合材料的基础上又出现了金属基复合材料。
现代飞机大量采用新型材料。如F-14（美国，1970年，图1.3）的机体结构中有25%的钛合金、15%的钢、36%的铝合金、还有4%的非金属材料和20%的复合材料。
图1.3 F-14“雄猫”可变后掠翼战斗机由于采用了可变后掠翼，F-14背部有着结构复杂的箱形结构——翼盒。翼盒两端容纳可变翼翼根转轴。此部分是可变翼设计飞机的重点，也是飞机死重的来源。为了使翼盒重量尽可轻而又不应影响强度，格鲁曼采用高强度轻重量的钛合金来制造。
新近投入使用或正在开发中的先进飞机（包括军机和民航机）的机体结构用材料的主要特点是：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料，从而提高飞机的结构效率，降低飞机结构重量系数。其中又以先进复合材料和钛合金用量的增加，传统铝合金和钢材的用量相应减少的特点最为突出。先进复合材料和钛合金的用量、材料本身的性能指标、结构设计水平和零组件加工质量已成为这些航空产品先进性的主要表现之一。
从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材的发展趋势是：
铝合金铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。
结构钢一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。
钛合金钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。
先进复合材料由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。
二、航空发动机用材的演变早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳素钢为主。
涡轮喷气发动机（包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机）的性能水平很大程度上依赖于高温材料的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键：
涡轮叶片材料在二十世纪四十年代，尽管喷气式发动机的原理早已提出，但由于没有合适的高温材料用于制造涡轮，所以发展迟缓。
到五十年代初，英国的White公司开发出了镍基高温合金。
到六十年代，开始使用真空熔炼方法制造高温合金，合金的纯度得到提高，性能更好。
七十年代，开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作温度和耐疲劳性能进一步提高。
涡轮盘材料二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为800~900℃，采用了16-25-6铁基合金。
五十年代，随着涡轮进口温度提高到950℃，出现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理使合金具有更高的高温强度。
到七十年代，进口温度提高到了1240℃，出现了Rene 95合金和粉末冶金高温合金。
对航空产品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军用发动机的推重比已经达到10，如美国的F119发动机已装备了F22战斗机。大推力涡轮风扇发动机如GE90、PW4073/4084、Trent800等早已为B777、A330等大型宽体客机所选用。
在这些先进航空发动机中，高温材料仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压气机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉末冶金材料和单晶叶片材料（涡轮）等，民用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料。
第二章 轻合金
2.1 铝合金一、铝合金的发展历史在历史上，先后有几种金属材料得到广泛应用，推动了生产力的发展和人类自身的进步。首先得到应用的是金。随后是铜，特别是青铜，几大文明发源地都先后出现了灿烂的青铜文化。铜的发展历史有8000多年。铁和锡也有5000多年。另外还有铅和汞也都有几千年的历史了。
而人类到公元1825年才首次制得几毫克铝粉。铝发现得晚，炼铝技术成熟得更晚。无论是在人们发现的金属元素，还是作为一种结构材料，铝及其合金都是小字辈。但是铝和铝合金的出现，却极大地推动了工业文明，特别是航空航天科技和工业的发展。
在1746年，波特（J,H,Pott）用明矾制得一种氧化物。我们都知道明矾是铝和钾的复合硫酸盐。把它在高温下灼烧分解，失去二氧化硫和水，再将氧化钾用水洗去就剩下氧化铝了。当然那个时代的人们没有我们现在这么丰富的化学知识罢了。当时其他的科学家，如法国的拉瓦锡（A,L,Lavoisier）认为，这是一种与氧结合很牢的未知金属的氧化物，用碳和其他还原剂都夺取不了它所结合的氧。这样，就拉开了提炼单质铝的帷幕。
1807年，英国的戴维（H,Dary）用铂片做阳极，铁丝做阴极，用直流电电解熔融的钾碱与这种氧化物的混合物，结果只制得少量的合金。戴维虽然没有成功地提炼出单质金属，但他坚信这种金属的存在，并命名为Aluminium，后来去掉第二个i，改称Aluminum，但有些国家仍称为Aluminium。
1825年3月，丹麦物理学家奥尔斯泰（Hans Christan Oersted）用钾汞齐还原无水氯化铝，然后在真空条件下把得到的铝汞齐中的汞蒸馏掉，得到了几毫克的铝粉。奥尔斯泰的报告中说，铝具有与锡相同的颜色和光泽。
1845年，德国化学家沃勒（Priedrich Wohler）也用钾还原氯化铝的方法得到了一些10~15mg的铝珠，并初步测定了它的密度、延展性和熔点等。
以上还只是在实验室中出于研究的目的少量制取铝。到了1854年，法国冶金学家戴维尔（Henri Sainte Claire Deville）用便宜的钠代替钾，用吸水性较小，稳定性较好的复盐NaAlCl4代替极易吸水而水解的无水氯化铝，制得纯度为97~97.3%的铝。同年，在拿破仑三世（拿破仑一世的侄子）的支持下建厂进行工业生产。
1855年，一件稀世之宝——银光闪闪的铝标本呈现在巴黎博览会上。它无穷的魅力立即引起了全世界的巨大反响。美英德等国相继建厂生产珍贵的铝。铝自问世即得到显贵们的宠爱。这个时候生产出来的铝比白金还贵，每千克价格达到600美元，只能用来制作昂贵的首饰以显耀豪富。当时，西欧的国王和往后视铝如宝石，戴在头上或挂在胸前以示其尊贵。法兰西帝国皇帝拿破仑三世（1808-1873）喜欢宴请四方宾客，每次设宴时，宾客用的都是银碗，惟有他一人用铝碗。后来虽然经过30年的改进，铝加逐步降到9美元一公斤，仍然相当贵。
可是，只过了20年，因为电解法炼铝的成功，铝价大跌。就像成长中的婴儿，铝开始蹒跚起步了。
用戴维尔的化学法总共只生产了200t铝。
发明电解炼铝法的是两个人。他们是当时同为23岁的青年——美国俄亥俄州的霍耳（Charles Martin Hall）和法国诺曼底的埃鲁（Paul Lovis Toussaint Herroult）。
1886年，霍尔与埃鲁不约而同地将氧化铝投入熔融的冰晶石中，通入直流电电解出金属铝。这个方法不再需要消耗昂贵的金属钠作还原剂了，成本大大降低，产量和质量也有很大的进步。这就是著名的，现在仍在使用的霍尔-埃鲁电解法。这两个人有很多巧合的地方，同一年出生，同一年作出重大发现，专利申请日期只相差2个月，霍尔是在1886年2月23日申请美国专利，埃鲁在4月23日申请法国专利，5月23日申请书寄到美国专利局。当然美国专利已经给了霍尔了。这是一个巧合。这两位科学家都在1914年，也就是51岁的时候英年早逝，都死于伤寒。
在发明炼铝技术之后，埃鲁和霍尔就分别开始了开拓铝工业的艰辛道路。
当时，人们受习惯思维的限制，总认为铝只能用来做些首饰而已，铝应用尚未打开局面。到1900年，也就是十九世纪的最后一年，全世界只有7个铝厂，总年产量不超过八千吨。但是这个时候，铝价已经降到每公斤0.5美元了。虽然人们已经知道可以利用现成的设备加工铝制品，而且铝在家用器具，如炊具生产上有优势。但制造商们却因需要购置新设备和重新培训工人而无动于衷。
到了1906年，这在铝工业发展历史上同样是一个重要的年份。在这一年，德国的冶金学家阿弗列?威尔莫（Wilm）尝试将其他金属元素添加到铝中，终于发明了一种含有铜、锰、镁和铝的合金。他还发现这种铝合金具有一种神奇的效应，即在常温下放置4天会自动变得非常坚硬，很适合用来制造运输工具和其他工业装备。因为这种铝合金首次在杜拉实现工业生产，故命名为杜拉铝。
从此，铝的需求量逐渐增加。世界铝产量从1906年的1.45万t，1910年的4.38万t，增长到1913年的6.82万t。铝第一次作为飞行器结构材料是在一战期间，德国人用杜拉铝（当时其成分及硬化工艺是保密的）制成一种硬式飞艇，它的航速达100km/h、航程在200km以上，能携带炸弹，具有很强的威慑力。协约国军事专家为此大伤脑筋。战后杜拉铝的秘密被揭开，全世界马上开始了用铝合金研制飞艇的热潮，铝被誉为“飞行金属”，进入航空工业市场。杜拉铝的发明为铝工业的发展提供了一个机遇。
另外，高压远距离输电技术研究成功给铝工业带来了另一个机遇。
尽管铝的电导率是铜的65%，但它的密度仅为铜的三分之一。在相同的电阻之下，铝导线的重量仅是铜导线的46.6%，用铝导线代替铜可以大大鉴清导线的重量及支撑导线的桥塔的复合，从而节省投资。在20世纪早期，火力发电技术尚未应用，发电依靠水利，所以当时的输电距离动辄达到2000km之遥，对铝电缆的需求量大增。
在二十世纪初，汽车工业开始使用铝合金，但当时车身都是木制的。这一方面是由于当时使用的发动机马力小，效率低，金属车身相对来说太重，驱动不了，另外金属件的冲压等塑性加工技术还不那么发达，还无法制造出轻巧的金属构件。当时是手工将铝制成装饰板，然后绑缚或粘接在槐木制的车身上。汽车的散热器也用铝代替钢。这些都是因为铝轻而且不生锈。
和平用铝是铝工业健康发展的永恒动力。但是战争也会极大地刺激铝工业的发展。战争需要各种激动运输车辆，促使内燃机研制迅速发展。为了减轻发动机重量，一些铸造件以及活塞都用铝合金制造。活塞运动的惯性因为质量更轻而减小，与活塞连接的其他零件如曲轴、轴承架上的应力相应减小，发动机便做得轻巧多了。在第一次世界大战的四年中，交战双方共制造了20多万台发动机。期间经过战争环境考研的技术在战后都很好地转用到航空和汽车工业当中。
战时，铝还用于制造油罐、武器外壳、机枪散热片、光学仪器及士兵的饭盒和水壶等。这些因素都使铝的需求量大增。当时欧洲的铝价涨了一倍、美国铝价涨了两倍。在高额利润的刺激下，各国的铝产量都至少翻了一番，挪威的产能甚至增长到战前的8倍。在量的增长的同时，铝工业的工艺技术也大大提高。铝工业已经开始走进它的青年时期，即一战结束的1918年到二战的1945年这段时间。
由于战争结束，各种金属的生产量低于战前水平，唯有铝仍有所增长。这是因为在高压输电线和发动机上的铝不断增加。仅1920年~1930年的10年间，美国生产了5000万个铝活塞；汽车壳体也开始用铝制造了；第一个全铝火车车厢问世；特别是铝合金使飞机制造业飞速发展。德国容克公司用铝板制造Ju52飞机的机身，并于1930年将该飞机用于莫斯科-伦敦航线上。1933年美国道格拉斯飞机公司用铝合金制造了划时代的DC1运输机及其系列产品DC2、DC3飞机和C47运输机（图2.1），可称现代飞机的鼻祖。其中1934年推出的DC2飞机，机身呈流线型，在现代航线上仍然可见。由于飞机性能不断提高，全天候洲际飞行正在出现。航空业的飞速发展反过来促进了铝工业的发展。
图2.1道格拉斯C-47型运输机在其他方面，铝导热性好、轻、耐腐蚀等优点也体现出来。人们用铝制造电冰箱、吸尘器和其他家用电气，又为铝工业形成了一个巨大的市场。铝的延展性极好，1kg铝可以轧出面积为41m2的铝箔，而1kg锡只能轧出15m2的锡箔。
高强度的铝合金也很快被用于制造装饰板、窗户和门框。
1936年美国铝业公司在庆祝电解炼铝50周年大会上罗列了铝的2000多种用途。
可以看出年轻的铝工业开始渗透到了国民经济的各个领域，给各行各业都带来了勃勃生机。经济危机和战争都阻挡不了它前进的步伐。铝的出现使人类的生产和生活都变了样。
二、铝合金的生产过程铝合金是由电解得到的原铝和回收铝精炼后，再向其中加入添加元素得到的。
其中电解原铝的过程是，首先用拜耳法从铝土矿中提炼氧化铝，再用埃鲁-霍尔法电解炼铝。
那么具体地，电解炼铝法究竟是怎么一回事呢？
电解是电化学的一种应用。至少在大学化学课程中，我们都学到过一类化学反应类型叫做氧化还原反应。在氧化还原反应中，还原剂被氧化，提供电子，氧化剂得到这些电子被还原。一个氧化还原反应都是两个半反应——还原剂的氧化反应和氧化剂的还原反应耦合而成的。
如果采用特殊的装置，控制这两个半反应分别在两个导电的材料（称为电极）上发生，再将电极用导线连通，同时，还要提供一个可以使离子在其中迁移的导体，称为离子导体。这样就构成了一个回路，就能利用氧化还原反应提供电流，驱动负载工作。我们都知道，这中装置就是化学电源，也就是大家通称的电池。从能量转换或做功的观点来看，电池的工作过程就是把氧化剂和还原剂蕴涵的化学能转化为电能，输出电功的过程。
如果反过来，把负载换成一个强大的电源，把它的正负极与电池的同极性的电极连接，强制电池反向工作，我们都知道这个过程实际就是给电池充电。电池充电的过程就是把外部电源提供的电能转化为化学能的过程。
电解，以及在后面的内容中要介绍的电镀，都是类似的过程。
所谓电解，就是用电能驱动电解池工作，使电解质在电解池的阴极或阳极上发生氧化还原反应而析出产物的过程。这些产物都是对我们有用的产品。如电解氯化钠水溶液，可以在阳极上得到氯气，阴极上析出氢气。同时因为析出氢气，使水分解出氢氧根离子，与钠离子形成苛性钠水溶液，又可以分离出氢氧化钠。这些都是重要的化工原料。再比如电解水，可以得到氢气和氧气，把消耗的电能转化为氢和氧的化学能。氢气又可以作为还原剂，驱动燃料电池工作，重新释放出电能。
电解法炼铝的原理也是一样。只不过电解铝采用的是一种特殊的电解质，不是水溶液。在水溶液中电解是不能得到铝的。是采用电解熔融的氧化铝的方法。氧化铝（三氧化二铝）是离子化合物，通常状态下是固体，而离子在固体中是不能轻易移动的，只有将它加热到熔点以上，熔化成液态，离子才能够在电场的驱动下在阴极和阳极间迁移，形成离子导体。但是氧化铝的熔点非常高，在将它加热到熔化之前，绝大多数用来制造电解槽的结构材料，如钢铁等都先熔化了。所以要将它溶解在一种合适的溶剂中，形成一种特殊的溶液。使用的溶剂就是冰晶石，六氟合铝酸钠。这样就可以将电解铝的工作温度降低到1000℃以下（一般是950~970℃）。
三、铝合金的特点铝合金作为航空器结构材料的最突出的特点是：密度小、延展性好、耐腐蚀、易加工、价格低。
铝合金的密度为小2.7g/cm3，远小于铁合金或铜合金。
铝虽然是一种非常活泼的化学元素（其电位序仅排在钾钙钠镁之后的第五位），但正由于它非常活泼，在空气中极易发生氧化，而生成的氧化无以一薄层非常致密的、化学性质稳定的钝态膜的形式存在，能有效地隔绝侵蚀性介质。所以铝合金的耐腐蚀性很好。
正因为铝合金具有这些特点，所以在当前在役的民用飞机中，铝合金在总结构用量上占70~80%的比例。尽管先进复合材料和钛合金在新型号飞机上应用比例日益提高，但铝合金由于成本和工艺上的优势，在可预见的将来，仍是航空器，特别是民用飞机的主要结构材料之一。
四、铝合金分类铝合金按零件的制造方法可分为：
变形铝合金：具有较好的塑性，可使用锻造、冲压等塑性变形加工工艺成形的铝合金；
铸造铝合金：仅适合采用铸造工艺成形，或铸造性能相对变形加工性能更为突出的铝合金；
粉末冶金合金：使用粉末冶金技术成形的铝合金。
按能否通过热处理强化分为：
可热处理强化铝合金；
不可热处理强化铝合金。
五、铝的合金化纯铝的强度很低，不适合作为结构材料使用。所以必须通过添加合金元素将铝制成合金。主要的起强化作用添加元素有：Cu、Zn、Mg、Si和Li等。
这些合金元素的强化机理不尽相同，具体地有两种强化机理：
固溶强化：常温下在铝中溶解度大的元素（溶质），以固溶体形式存在于铝合金中。溶质原子使铝晶格发生畸变，提高合金强度；
沉淀强化：高温下溶解度大、常温下溶解度小的元素，在常温下形成各种沉淀相，使合金强化。铝合金的热处理强化实际上就是利用了沉淀强化原理。可沉淀强化是热处理强化铝合金的重要特点。
除这些强化元素外，铝合金中有时还包含其他一些元素：
Cr、Mn、Ti、Zr等过渡元素在铝合金中的溶解度小，没有多少强化作用。但可以与Al形成金属间化合物，对控制晶粒结构作用很大；
Fe、K、Na等元素属于应控制含量的杂质，这些元素的存在会极大地损害铝合金的断裂韧性。
六、铝合金的沉淀强化原理和时效处理工艺这里以Al-Cu（4%）二元合金为例介绍铝合金的沉淀强化原理（图2.2）。
图2.2 Al-Cu二元合金相图在高温时Cu在Al中溶解度大，常温时溶解度小。对于含Cu为4%的Al-Cu二元合金，500℃时，Cu可全部溶于Al中形成α固溶体。
冷却到常温后，绝大多数Cu以GP区或θ相的形式析出。GP区或θ相会阻碍形变过程中的位错移动，提高了硬度和强度。
应用沉淀强化原理，可以对铝合金进行时效处理，以改善铝合金的力学性能和抗腐蚀性能。
所谓时效处理是指，把铝合金在一定温度下保持一段时间，加速合金元素从固溶体中沉淀析出的处理工艺。
时效处理过程中，铝合金的硬度（强度）会随时效时间变化。描述这种变化规律的曲线称为时效曲线（图2.3）。
图2.3 Al-4%Cu合金的时效曲线从图中可以看到，时效温度、时间铝合金的时效硬化效果有很大影响。随时效时间，硬度并不是始终增大的，而是存在一个峰值。把硬度达到时效曲线上峰值的时效状态称为峰时效。相应地，在峰时效之前停止保温，得到的时效状态成为欠时效，在峰时效之后停止保温，得到的是过时效状态的铝合金。
尽管过时效相对于峰时效在硬度和强度上有损失，但由于沉淀相的过量析出，特别是在合金组织的晶粒内部也析出了沉淀相，减小了晶粒内部与晶粒边界（晶界）的电化学性质的差异，可以减少晶间腐蚀，以及沿晶间发生的应力腐蚀断裂的可能性，提高铝合金的耐腐蚀能力。
时效处理是控制性能的重要手段。同一种成分的铝合金，采用不同的热处理时效，可以得到差异很大的性能；一种新的时效制度的研究成功，就相当于开发出一种新的铝合金。
七、铝合金的标记由于制造飞机结构的铝合金主要是变形铝合金，而铸造铝合金应用较少。所以在此仅介绍前者的标记。铝合金的标记分为型号标记和状态代号标记铝合金的型号：采用4位数字标记法。第1位表示属于哪种主要合金系；第2位表示合金的改型；第3、4位表示合金的编号（表2.1）。
表2.1国际变形铝合金标记法合金系
四位数字标记
合金系
四位数字标记
>99.00%铝
1xxx
铝镁硅
6xxx
铝铜
2xxx
铝锌
7xxx
铝锰
3xxx
其他
8xxx
铝硅
4xxx
备用
9xxx
铝镁
5xxx
铝合金的状态以TX、TXX、TXXX等代号标记（表2.2）。
表2.2 铝合金的状态代号代号
名称
状态代号
热处理状态
F
自由加工状态
T3
固溶、冷作、自然时效
O
退火状态
T4
固溶、自然时效
H
加工硬化状态
T6
固溶、人工时效
W
固溶热处理状态
T7
固溶、过时效
T
热处理状态
T8
固溶、冷作、人工时效
状态代号
说明与应用
T73
固溶及时效达到规定的力学性能和抗应力腐蚀性能
T74
与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73，小于T76
T76
与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73、T74，抗应力腐蚀性能低于T73、T74，但其抗剥落腐蚀性能仍较好
八、铝合金在飞机上的应用变形铝合金在飞机上的应用主要为2系Al-Cu合金和7系Al-Zn合金。
2系铝合金的代表型号是2024，名义成分为Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn（重量百分比）。该合金在飞机结构上应用广泛。其特点为：强度中等，可热处理强化，T3状态下断裂韧性高；耐蚀性不好，易发生晶间腐蚀，薄板需包覆工业纯铝以提高耐蚀性，或在T8状态下使用。另外2524作为2系合金的较新改型，已经应用于B777客机。
7系合金的代表型号是7075，名义成分为Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.26Cr（重量百分比）。该型号合金的特点为：T6态强度最高，但抗蚀性差、断裂韧性不好；T73态耐蚀性好，但强度相比T6态下降约15%。
7055是7系中合金化程度最高、强度最高的型号。7055-T77已经用于B777主结构。
另外表2.3中详细列举了2系和7系合金在飞机结构中的应用情况。
表2.3 2系和7系铝合金在飞机结构中的应用应用部位
应用的铝合金
机身蒙皮
2024-T3,7075-T6,7475-T6
机身桁条
7075-T6,7075-T73,7475-T76,7150-T77
机身框架/隔框
2024-T3,7075-T6,7050-T6
机翼上部蒙皮
7075-T6,7150-T6,7055-T77
机翼下部蒙皮
2024-T3,7475-T73
机翼下部桁条
2024-T3,7075-T6,224-T39
机翼下壁板
2024-T3,7075-T6,7175-T73
翼肋和翼梁
2024-T3,7010-T76,7150-T77
尾翼
2024-T3,7075-T6,7050-T76
九、铝合金的新发展——铝锂合金其实所谓铝锂合金是指含锂（Li）元素的铝合金，其中Li并不一定作为最主要的添加元素存在于合金当中，比如2系含Li铝合金，其主要添加元素是Cu而非Li。以Li为主要添加元素的合金一般归入8系——其他合金系中。
Li是密度最低的金属元素，其比重仅为0.53，而且在添加Li的铝合金中，Li在时效处理时能以δ’相的形式析出，起到沉淀强化作用。所以，含Li铝合金具有密度低、强度高、模量大等优势。但因价格较贵，目前在飞机结构，特别是在民用飞机结构中用量还不大。但随着新型合金性能的改进、制造工艺的发展，含Li合金在飞机上铝合金中的比例将会得到提高。
西方国家和俄罗斯（前苏联）曾开发了众多的含Li铝合金。西方铝锂合金的型号主要有：2系的2020、2090、2091、2095、2195和2197等，和8系的8090。前苏联在50~60年代开发了1420合金，具有焊接性好的优点，但强度较低，后来在1420中加入Sc（钪），开发了1421合金，其强度明显提高。含Li铝合金目前在俄罗斯的航空工业应用非常广泛。
2.2 钛合金一、纯钛的性质钛（Ti）的蕴藏量仅次于铝、铁、镁，居金属元素中的第四位。
钛的熔点高，为1667℃，比铁的熔点还要高。
钛的密度4.5g/cm3，比铁和铜都轻得多。
纯钛随温度变化存在固态同素异构转变（固态相变），即在882.5℃这个温度上，会发生晶格结构的转变：
低于882.5℃时钛为密排六方晶格，称为α-Ti；
高于882.5℃为钛为体心立方晶格，称为β-Ti。
这种固态相变使钛合金可以具有α、β或α+β双相混合显微组织，使得钛合金可以通过热处理在较大范围内控制显微组织，从而控制合金性能。
二、钛及钛合金的主要特性钛合金相对于铝合金等其他结构材料，具有以下突出的优点：
比强度高工业纯钛强度为350~700Mpa，钛合金强度可达1200MPa，和调质结构钢相近，而钛合金的密度比钢低得多，所以具有高的比强度。
热强度高钛的熔点高，再结晶温度也高，因而钛及其合金具有较高的热强度。目前钛合金使用温度可达到500℃，并向600℃发展。
抗蚀性高钛表面能形成一层致密、稳定的，由氧化物和氮化物组成的保护膜，具有很好的抗蚀性能。钛及其合金在潮湿大气、海水、氧化性酸（硝酸、铬酸等）和大多数有机酸中，抗蚀性与不锈钢相当，甚至超过了不锈钢。
同时，钛合金的缺点也是十分突出的：
切削加工性差钛的导热性差（仅为铁的1/5，铝的1/3），摩擦系数大，切削时容易升温，也容易粘刀，导致切削速度低，降低刀具寿命，影响零件表面光洁度。
热加工工艺性差在加热到600℃以上时，钛及钛合金极易吸收氢、氮、氧等气体而使其性能变脆，使得铸造、锻压、焊接和热处理等工艺都存在一定的困难。钛合金的热加工工艺过程只能在真空或保护气氛中进行，这提高了钛合金件的制造成本。
冷加工性差钛及其合金的σ0.2/σb比值较高，表明应力接近断裂强度时才发生塑性变形，因此塑性变形困难，也容易导致开裂。
硬度低、抗磨性差钛合金一般不宜用来制造要求耐磨性高的零件。
三、钛的合金化钛是将氧化钛与氯气反应得到氯化钛后，再用金属Mg作还原剂还原得到的。初生态的钛因大量吸收空气中的氧和氮，是海绵状的，必须经真空二次熔炼后才能得到密实的金属组织。
由于钛的化学性质非常活泼，二次熔炼得到的工业纯钛中仍残存了大量的氧，所以实际使用的工业纯钛实际上是Ti与O元素构成的低合金。工业纯钛的力学性能与低碳钢相似，具有较高的强度，可直接用于航空产品，常用来制造使用温度在350℃以下的飞机构件，如超音速飞机的蒙皮、构架等。
除工业纯钛外，还可加入其他元素形成具有不同结构和不同性能的钛合金以满足不同工业部门和具体应用的需要。
钛合金的组织，取决于加入的合金元素是稳定α相（即使钛合金的常温组织主要包含α相）的，还是稳定β相（即使钛合金的常温组织主要包含β相）的。
键合电子数/原子<4的合金元素能够稳定α相，如Al和O。所以工业纯钛的常温组织为α相；
键合电子数/原子>4的合金元素能够稳定β相，如Mo、V和W等；
键合电子数/原子=4的合金元素的作用为中性，如Zr、Sn和Si等。
通过控制添加元素的种类和相对含量，即可控制钛合金的常温组织，进而得到性能特点相差很大的钛合金。
按常温组织的不同，钛合金可分为三种：
α型钛合金组织为α固溶体，牌号以TA加序号表示。主要合金元素是Al，还有中性元素Sn和Zr，均产生固溶强化作用，间隙元素O、N起间隙强化作用。合金组织稳定，耐热性高于其他钛合金，但不能进行热处理强化，室温强度不高，压力加工性较差，多采用热压加工成形。
β型钛合金组织主要为β固溶体，合金元素含量较高，牌号以TB加序号表示。性能优点是室温强度高，压力加工性能较好，成形容易，可通过热处理强化。缺点是密度较大，冶炼工艺复杂，热稳定性差，所以应用较少。
（α+β）型钛合金含有α稳定元素和4%~6%的β稳定元素，组织为（α+β）两相固溶体，牌号以TC加序号表示。该类型钛合金兼有α型及β型钛合金的优点。力学性能方面，既有较高的室温性能，又有好的高温强度，塑性也较好，应用最广泛。既可以在退火状态下使用，又可以在淬火、时效状态下使用。其中典型型号为TC4合金（Ti-6Al-4V），它具有综合的机械性能，组织稳定性高，典型拉伸强度为900MPa，最高工作温度为400℃。在航空航天、造船工业中应用广泛。
这三种钛合金及其典型牌号的性能特点见图2.4。
图2.4 钛合金的性能特点
四、钛合金在航空航天中的应用
1950年，美国首次在F84战斗轰炸机上采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩等非承力构件。
1954年，α+β型钛合金Ti-6Al-4V用于制造J57涡轮喷气发动机压气机转子盘和叶片。
60年代中期，美国研制成功“全钛飞机”SR71（图2.5），是钛合金制造工艺技术发展的一次重大突破，试制成功了钛合金隔框和起落架梁等大型复杂锻件，用钛量达到飞机结构重量的93%。
图2.5 美国SR71高空高速战略侦察机
70年代，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加。在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%，在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%。
民用飞机方面，Ti-6Al-4V合金制造的波音747主起落架支承梁模锻件，每件长6096mm，宽914mm，重1724kg，至今仍是世界上最大的钛合金模锻件。
80年代，出现了断裂韧性更高的超低间隙元素级的新型合金，超塑成形和扩散连接工艺。钛合金在B1B超音速轰炸机和航天飞机上得到了更广泛的应用。一架B1B飞机需要90余吨钛材。美国的航天飞机上采用了Ti-6Al-4V合金制造的重达3000kg的传力结构件。
现有航空航天用钛合金中，应用最广泛的是多用途α+β型Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4Zr-2Mo（Ti6242）高温钛合金。Ti-6Al-4V合金用于制造工作温度不超过400℃的各种飞机结构和发动机零件，Ti6242合金用于制造工作温度在500℃以下的高压压气机零部件。Ti-6Al-4V合金具有优良的综合性能，用量达到各种钛合金总用量的一半以上。
美国F22战斗机中钛合金用量已超过了铝合金，达到整机结构重量的41%。B777飞机中钛合金的用量已达到7%。
未来航空航天飞行器及其推力系统，需要不断提高钛合金的工作温度，增大航空发动机的推重比。普通钛合金的最高工作温度是600℃，进一步提高工作温度受到蠕变强度和抗氧化能力的限制。80年代发展的钛铝化合物基的高温钛合金，具有高温性能好，抗氧化能力强，耐腐蚀和重量轻的优点，是制造压气机和低压涡轮零部件的理想材料。其中Ti3Al为基的高温钛合金，最高工作温度可达815℃；TiAl为基的高温钛合金，最高工作温度可达1040℃。
2.3 镁合金一、纯镁的性能镁（Mg）的密度低，仅为1.74g/cm3，约相当于铝的2/3，是最轻的结构金属。
镁的电极电位很低，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁的化学活性强，在空气中也容易氧化，形成的氧化膜疏松多孔，无明显保护作用，所以镁的抗蚀性很差。用镁制造结构件时，需针对使用环境采取适当的防护措施。
力学性能方面，镁的强度低，且由于组织为密排六方晶格，滑移系少，导致塑性极低，加工成形困难，所以镁很少用作主要结构材料。
二、镁的合金化镁经过合金化及热处理后，强度可以达到300~350Mpa。
主要合金元素是铝、锌和锰。这些元素在镁中都有溶解度变化，可以利用热处理方法（淬火加时效）来强化。
加入镁合金中的铝、锌，当含量不超过溶解度时起固溶强化作用。超过溶解度后分别与镁形成金属间化合物Mg17Al12和MgZn，在淬火、时效时能起到沉淀强化作用。
加入锰可以改善抗热性及抗蚀性。
加入锆（Zr）可以使镁合金的晶粒细化。
三、镁合金的分类与编号按加工工艺可分为变形镁合金与铸造镁合金：
变形镁合金牌号以“MB”加数字表示，如MB1、MB2等；
铸造镁合金以牌号“ZM”加数字表示，如ZM1、ZM2等。
四、镁合金的性能特点比强度高镁合金强度虽然比铝合金低，但由于密度小，所以比强度高于铝合金。
减振性好镁合金弹性模量小，受外力作用时弹性变形功较大，即吸收能量较多，所以能承受较大的冲击振动载荷。
切削加工性能好可以采用高速切削，也易于进行研磨和抛光。
抗蚀性差使用时要采取防护措施，如氧化处理、涂漆等。镁合金零件与其他高电位材料的零件（如钢、铜零件）组装时，在接触面上应采取绝缘措施，以防止产生电化学腐蚀。
五、镁合金航空工业中的应用变形镁合金航空工业上应用较多的为MB15，属Mg-Zn-Zr系合金。它的性能特点是强度高：是常用变形镁合金中抗拉强度和屈服强度最高的；可以热处理强化：Zn在Mg中的溶解度随温度的变化大，时效处理时能形成强化相MgZn。
铸造镁合金
ZM1（Mg-Zn-Zr）和ZM2（Mg-RE-Zn-Zr）属于高强度铸造镁合金，具有较高的常温强度和良好的铸造性能，但耐热性差，长期工作温度不能超过150℃。
ZM3（Mg-Ce-Zn-Zr）属于耐热铸造镁合金，常温强度较低，耐热性好，可以在200~250℃长期工作。
航空工业上应用较多的是ZM5合金，属Mg-Al系。Al含量较高，能形成较多的Mg17Al12强化相，可以采用热处理强化。
应当说明的是，由于镁合金耐蚀性差，零件需要进行专门的表面防护处理，所以使用受到一定的限制。而且随着先进复合材料的发展，与之相比镁合金在比强度方面并无优势，所以在新型飞机上应用镁合金已经很少了。
第三章 铁合金
3.1 铁碳合金一、纯铁的性质铁（Fe），原子序数26，是一种重要的过渡金属元素。
纯铁是光亮的银白色金属，密度7.86g/cm3，熔点1535℃，沸点2750℃。
纯铁的抗蚀力相当强。但通常的铁都含有碳和其它元素，因而抗蚀力也减弱。含有杂质的铁在潮湿空气中容易生锈。
铁有延展性和导热性。也能导电。但导电性比铜、铝都差。
铁能被磁体吸引，在磁场作用下，铁自身也能产生磁性。
冷的浓硝酸或冷的浓硫酸能使铁钝化。但铁能溶于稀酸。加热时能同卤素、硫、磷、硅、碳等非金属反应，但同氮不能直接化合。氮化铁须在氨气中加热生成。
重要矿石有赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（Fe2O3·nH2O）、磁铁矿（Fe3O4）和菱铁矿（FeCO3）等。
纯铁可由氢气还原纯氧化铁而得，还原铁粉可用于粉末冶金。
二、炼铁与炼钢炼铁炼铁是将铁矿砂在熔炉（高炉）中提炼成铁的过程。
炼铁时，自高炉上方将铁矿砂、焦炭、石灰石等交互投入，热风炉加热过的空气由高炉下部风口吹入，炉内焦炭燃烧生成1500℃高温，产生一氧化碳（CO）炉气自炉中上升，一氧化碳把铁矿砂还原；铁水自炉下方出口流出，暂贮并运到炼钢工场，浇铸成铁锭（图3.1）。
图3.1 高炉构造及炼铁时的炉内反应
A.炉喉；B.炉身；C.炉腰；D.炉腹；E.炉缸
1.大料钟；2.小料钟；3.煤气导出管；4.料车；5.斜桥；6.热风围管；7.风口；8.出铁口；9.出渣口炼钢由于生铁中含碳量很高，炼钢时需要根据要求把生铁中的含碳量去除到规定范围（降碳），并使其它元素的含量减少或增加到规定范围（去硫磷、调硅锰含量）。
炼钢基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧（如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧）来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。
炼钢常用平炉、转炉和电炉。图3.2是现代平炉炼钢过程的示意图。
图3.2 平炉结构图由铁的冶炼过程可知，实际应用钢铁都含有碳，所以它们都是铁碳合金。
实际使用的钢铁材料，含碳量都不超过5%，因为含碳量超过5%的铁碳合金，性能太脆，没有实用价值。
三、铁-碳合金的基本相和基本组织与钛相似，纯铁也存在固态相变——同素异构转变。纯铁在从熔点到常温的冷却过程中经历如下晶体结构的变化：
δFe（体心立方）→ γFe（面心立方）→ αFe（体心立方）
在铁碳合金中碳的不同存在方式会形成不同的相：
C溶于不同的Fe晶格中形成固溶体：
溶于δFe中形成δ相固溶体，只在高温下存在，实际意义不大；
溶于γFe中形成γ相固溶体，最大溶碳量为2.11%；
溶于αFe中形成α相固溶体，溶碳量很少。
不能溶于固溶体的碳以铁-碳化合物的形式存在：
常用铁合金中的铁-碳化合物是渗碳体：Fe3C。
所以，铁碳合金的常温组织是由γ相固溶体、α相固溶体和渗碳体（Fe3C）三种相构成的。
这些基本相以不同的比例和形式构成不同的基本组织：
铁素体（F）组织由α相固溶体构成的单相组织。其机械性能与纯铁很接近，强度、硬度低而塑性、韧性好。
奥氏体（A）组织由γ相固溶体构成的单相组织。属于高温组织。塑性好，但强度不高。对铁合金进行锻造等压力加工时经常需要将其加热，转化为单一奥氏体组织，以获得较好的塑性，减小变形抗力，改善工艺性能。
渗碳体（Fe3C）组织由Fe3C这种金属间化合物构成的单相组织。Fe3C具有复杂的结构，机械性能特点是硬而脆。包含较多渗碳体组织的铁合金通常具有较高的强度和硬度。
珠光体（P）
由α相固溶体与渗碳体通过机械混合形成的双相组织。珠光体具有铁素体与渗碳体的综合机械性能，即硬度和强度较高，同时具有一定的塑性和韧性。
莱氏体（Le）
由γ相固溶体与渗碳体形成的共晶体，仅存在于铸铁中。
化学成分不同、热处理工艺不同的铁-碳合金的组织构成有很大区别，进而导致机械性能区别十分显著。
四、铁碳合金的状态图状态图是描述铁-碳合金在平衡状态下，组织随温度和成分的变化的图形。
图3.3 铁碳合金状态图铁碳合金的状态图中按含碳量的大小可分为三个部分：最左端，含碳量<0.02%的是工业纯铁；含碳量在0.02~2.11%的是碳钢；含碳量>2.11%的是铸铁。
其中碳钢还可分为：
共析钢：wC=0.77%，常温组织为珠光体；
亚共析钢：wC在0.02%~0.77%之间，常温组织为铁素体+珠光体；
过共析钢：wC在0.77%~2.11%之间，常温组织为珠光体+渗碳体。
铸铁可分为：
共晶白口铁：wC=4.3%；
亚共晶白口铁：wC在2.11%~4.3%之间；
过共晶白口铁：wC在4.3%~6.69%之间。
五、杂质元素对钢性能的影响硅与锰这两种元素是在炼钢时加入硅铁和锰铁脱氧而残留在钢中的。作为杂质存在时，硅的含量约为0.17~0.37%；锰的含量约为0.5~0.8%，超过以上含量时，就作为有意加入的合金元素了。
硅和锰都能有限溶解于铁素体中，起固溶强化作用，使钢的硬度、强度增加。
硫与磷硫是在炼钢时无法除尽的有害杂质。
硫与铁可以形成FeS化合物，通常分布在晶界上，与铁形成低熔点共晶体（985℃）。钢在锻造或轧制时要加热到1200℃，这时晶界上的低熔点共晶体会发生熔化，导致钢材在热压加工过程中发生开裂。这种高温开裂成为“热脆性”。因此钢中的含硫量要严格控制。普通钢中的含硫量不能超过0.055%。
锰与硫的亲和力比铁与硫的亲和力大。钢中含有硫时，硫先与锰形成MnS化合物。MnS熔点高（1600℃），在高温下还有一定塑性，可以消除钢的热脆性。
磷也是无法除尽的有害杂质。磷可以溶于铁素体中，使钢的强度和硬度增加，但剧烈地降低钢的塑性和韧性。特别在低温时，由于磷的作用，使钢的性能变脆，这种现象叫做钢的“冷脆性”。磷在钢中的含量也要严格控制，普通钢中的磷含量不超过0.055%。
六、碳钢的分类按用途分：
碳素结构钢：主要用于制造受力的工程构件（船舶、桥梁、建筑构建等）和机械零件（齿轮、螺钉、轴、连杆等）；
碳素工具钢：主要用于制造硬度高的刃具、量具和模具等。
按含碳量分：
低碳钢：wC<=0.25%；
中碳钢：wC在0.25~0.6%之间；
高碳钢：wC>=0.6%。
按钢的质量分：
普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢
七、钢的热处理状态图中的组织都是平衡状态下的组织，往往不能满足机械零件在使用过程的要求。为了满足工业应用对于零件的各种性能要求，采取的主要措施之一，就是对金属材料进行热处理。
热处理：在固态下，将金属或合金以一定的加热速度，加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的冷却速度进行冷却的工艺方法。
加热是热处理的第一步，目的是为了获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，为冷却转变做好准备。
冷却时，依冷却速度不同，可分为不同的热处理工艺，冷却后得到的常温组织和钢的性能也不同。
退火缓慢冷却（一般为随炉冷却），得到珠光体型组织的热处理工艺。由于组织在加热和冷却时重新发生转变，退火可以得到如下目的：
改善钢的组织，得到细小的晶粒；
降低硬度，提高塑性，改善冷压和切削等工艺性；
改善组织，消除应力。
正火空冷，冷却速度稍快。正火组织比退火组织具有较高的强度和硬度。正火的主要作用是：
均匀、细化组织；
可以消除某些异常组织，如过共析钢中的网状渗碳体、亚共析钢铸件中的针状铁素体；
改善低碳钢的切削加工性；
对于一般的结构零件，可以作为最终热处理，得到一定强度与较好韧性相结合的机械性能。
淬火和回火高温奥氏体化后，以很快的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体（过饱和固溶体），提高了硬度和耐磨性。回火是将淬火后的钢加热到临界温度下某一温度，保温后以一定冷却速度（空冷或更快的冷却速度）冷却到室温的工艺操作。回火是淬火后必不可少的后继工序。通过回火，可以：
获得所需要的机械性能；
稳定组织，稳定尺寸；
消除淬火应力。
改变热处理中的工艺参数，可以使合金获得不同的组织和性能，以满足生产要求。
金属或合金经过热处理，可以挖掘材料潜力，提高产品质量，延长使用寿命。
有些零件表面要求高的硬度和耐磨性，心部要求一定的强度和韧性，可通过表面热处理获得这种综合性能。常用的表面热处理工艺是表面淬火。
表面淬火是将零件的表面迅速加热到临界温度以上，转变成奥氏体，随即进行淬火冷却，使表面组织成为马氏体，再进行低温回火，保持高硬度、高耐磨性；而心部仍保持原始组织和原有性能。
最常用的表面淬火方法是高频感应加热淬火。
除采用表面淬火外，还可进行化学热处理，即将工件在特定的介质中加热到一定温度并保温，使表面化学成分发生变化，从而改变金属表面组织与性能。通过化学热处理可提高表面硬度、耐磨性、抗疲劳性能，还可以提高耐蚀性和耐热性。
最常用的是渗碳、渗氮和碳氮共渗等。此外，按渗入元素不同，还有渗铝、渗铬、渗硼和渗硅等等。
3.2 合金钢碳钢虽然价格便宜，也有一定机械性能，但综合机械性能不高，淬透性很小，不具备某些特殊性能（抗蚀、耐热等）。
航空产品当中的钢多为合金钢。
合金钢，是为了获得所需要的组织和性能而加入合金元素的钢。
对钢进行合金化的目的是为了提高机械性能、提高淬透性，使钢获得某些特殊性能（耐蚀、耐高温等）。
一、铁的合金化加入的合金元素与碳类似，可以溶于铁素体，或溶于渗碳体，或者与碳形成碳化物。
按能否与碳形成碳化物，可将合金元素分为：
非碳化物形成元素只溶于铁素体，不形成碳化物。镍、硅、铝、钴、铜等。起固溶强化作用。合金铁素体的硬度随合金元素含量增加而增高。合金元素过多，会导致铁素体韧性下降。
碳化物形成元素能形成碳化物，也能溶于铁素体。锰、铬、钨、钼、钒、钛、铌等，合金碳化物的硬度高，提高耐磨性；加热时合金碳化物不熔于奥氏体，阻止奥氏体晶粒长大，使奥氏体保持细小的晶粒。
二、合金钢的分类和编号按用途分：
结构钢：制造零件；
工具钢；
特殊钢：制造有特殊要求的零件，不锈钢，耐热钢。
按化学成分分：
低合金钢：合金元素总含量小于5%；
中合金钢：合金元素总含量在5%~10%之间；
高合金钢：合金元素总含量大于10%。
合金钢的编号以含碳量+合金元素及其含量表示：
钢号前2位数字表示平均含碳量（单位为0.01%）；
所含合金元素用化学符号或汉字表示，其后的数字为合金元素的平均含量（单位为1%）；
当合金元素含量低于1.5%，或含量小于1%但作用较大时，元素符号后的数字略去；
元素平均含量大于等于1.5%但小于2%时，则标2，依此类推；
高级优质钢，钢号末加“A”。
如30CrMnSiNi2A表示：平均含碳量0.3%，Cr、Mn、Si含量均小于1.5%，Ni的含量大于1.5%，是高级优质结构钢。
三、合金结构钢渗碳钢性能要求：
航空产品中一些齿轮，活塞销和凸轮等，在工作中受很大的交变应力和冲击负荷，同时还承受强烈的磨损。零件不但有较高的强度、韧性和疲劳强度，表面必须具有高的硬度和耐磨性。选用合金钢进行渗碳，再经适当的热处理，可以满足这些要求。
成分特点：
为使心部具有较高的韧性，应具有较低的含碳量，一般在0.15~0.25%之间。加入铬、镍、锰、硼等元素强化合金，提高淬透性，使大尺寸的零件中心具有满意的机械性能。加入钨、钼、钒、钛等元素，细化晶粒，提高韧性和强度。
渗碳处理后，表面的合金元素可以形成合金渗碳体或合金碳化物，从而提高耐磨性。
热处理特点：
渗碳后，最终热处理是淬火和低温回火，在零件表面得到高碳回火马氏体加细小的碳化物，具有很高的硬度。
调质钢性能要求：
飞机发动机，或机身结构一些重要的结构件，如起落架、涡轮轴和油泵的转动轴等，工作时受到很大应力，往往受强烈震动等交变载荷，零件形状又很复杂，容易造成应力集中。因此，在具有高强度的同时，还应具有良好的韧性和塑性。
成分特点：
含碳量中等，一般在0.25~0.5%之间。
加入铬、镍、锰、硅等强化铁素体并提高淬透性；钨、钼、铬、硅可明显提高回火抗力；钒、钛可细化晶粒，增加强韧性。
热处理特点：
淬火+高温回火，调质处理，使钢具有最佳的综合性能。
弹簧钢性能要求：
必须具有高的弹性极限，以便能承受较大载荷，而不产生塑性变形；弹簧所受载荷一般是交变的，破坏的主因是疲劳，所以弹簧钢必须具有较高的疲劳强度。所以弹簧钢的屈服强度和抗拉强度都应较高。
成分特点：
含碳量一般在0.5~0.85%之间。含碳量过低，达不到高的屈服强度要求，含碳量过高不仅屈服强度不高，脆性太大。
加入的合金元素有硅、锰、铬等，少量的钒可以细化晶粒。
热处理特点：
冷拉硬化+绕制后去应力退火：直径小于7mm的弹簧，一般用冷拉弹簧钢丝绕制而成。
淬火加中温回火：直径较大或厚度较大的弹簧。
成分特点：
含碳量中等，并含铬、锰、硅、镍、钼、钒等合金元素。
热处理特点：
淬火+低温回火，获得马氏体强化，达到超高强度。
制造使用中应注意的问题：
缺口应力集中敏感，容易导致裂纹萌生并迅速扩展造成脆断。制造装配中应避免敲打和表面划伤；避免在酸性介质中表面处理，防止氢脆。
常用的超高强度钢有30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoV等。
四、不锈钢在解释不锈钢之所以具有很强的抗腐蚀能力前，先介绍一下金属的腐蚀及抗腐蚀途径。具体有：
获得单相组织：单相组织中不存在相间电化学性质差异较大的问题，不容易形成腐蚀微电池，所以耐蚀性好；
提高基体电位：如果合金组织为多相构成，一般地，沉淀相的电位都高于基体。在腐蚀微电池中，电位低的基体就会发生阳极溶解——即被腐蚀。如果能够提高基体电位，就能减小沉淀相与基体的电位差——即腐蚀电池的电动势，就可改善合金的耐蚀性能；
获得钝化膜：有意在钢中加入某些元素，能在钢表面形成薄而致密的钝化膜，起到隔绝电解质的作用，也可达到提高抗蚀能力的目的。
不锈钢是合金钢中的一种。不锈钢中都添加了含量很高的铬（Cr）。铬在不锈钢中的作用如下：
铬溶于钢的基体，溶解量超过一定值时，可以显著提高基体电位；
铬还可以在钢表面形成结构致密的氧化铬钝化膜，提高钢材的抗蚀性。
除含铬量高之外，不锈钢的另一个成分特点是含碳量低，一般情况下，含碳量在0.1~0.4%之间。因为如果含碳量高，会生成过多的碳化铬（Cr23C6），这些碳化物与基体之间构成的微电池增多。而且碳化铬析出会使溶解在基体中的铬量下降，使不锈钢抗蚀能力下降。因此，增高含碳量来提高硬度和耐磨性的情况下，要相应增加铬含量。
常用的不锈钢有马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢两种。
马氏体不锈钢航空工业中常用的马氏体不锈钢有Cr13型和Cr18型。除耐蚀性好之外，还可通过淬火形成马氏体组织，用于要求一定强度、硬度和韧性相配合的耐蚀结构件，如轴、齿轮和螺栓等；用于350℃以下工作的不锈弹性零件以及用于高硬度和高耐磨性的零件，如轴、轴承和不锈工具等。
奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢中由于添加了镍（Ni）元素，可使奥氏体组织在常温下稳定存在。
由于奥氏体不锈钢是单相奥氏体组织，因此奥氏体不锈钢具有比马氏体不锈钢更高的抗蚀性、更好的塑性、加工成形性和焊接性，而且具有更高的使用温度，但力学性能不及马氏体不锈钢。
奥氏体不锈钢在600℃左右工作（或焊接时焊接区在超过一定温度下加热），在奥氏体晶界出会析出碳化物Cr23C6，消耗附近基体中的含铬量，造成晶界附近的贫铬区，这一现象称作“敏化”。当晶界贫铬区的铬含量低于11%时，电位明显下降，容易发生腐蚀，造成晶间腐蚀。
可采取一些措施可防止奥氏体不锈钢发生“敏化”和晶间腐蚀。如降低含碳量，减少形成铬的碳化物的趋势；或加入强碳化物形成元素钛、铌（这些元素在应用于奥氏体不锈钢，防止敏化时称为稳定化元素），使碳优先与之形成碳化物，避免形成铬的碳化物。
第四章 高温合金
4.1高温材料概述一、航空发动机对高温材料的使用要求在涡轮喷气发动机内部，温度、压力分布是变化的（图4.1）。压气机部件工作温度较低，称为发动机的冷端，多用高温钛合金制造；涡轮部件所受温度最高，与燃烧室、喷口组成发动机的热端，用高温合金制造。
图4.1 涡轮喷气发动机的结构和沿轴线的压力与温度分布航空发动机部件的工作环境对材料提出了苛刻的使用要求。
首先是高温。航空喷气发动机从压气机到尾喷管，各零部件在一定温度下工作，有些零件要在800℃以上的条件下长期工作。
其次是高应力。一些高温部件，由于震动、气流的冲刷，特别是旋转造成的离心作用，将承受较大的应力。如涡轮叶片的应力可达300~409Mpa。
再次是氧化和腐蚀等化学作用。燃气中存在大量的氧、水气，并存在SO2、H2S等腐蚀性气体，都对高温零件起氧化和腐蚀作用。
而且，随着航空燃气涡轮发动机的发展，推重比的增加，发动机部件的工作环境日益苛刻。以涡轮进口温度为例，现役机种为1600K左右，在研机种达到1850~1950K，预研机种将高达2250~2350K。发展更高推重比的燃气涡轮发动机，首要任务是研制使用性能优异的高温材料。
航空发动机对高温材料的基本要求主要是：
较高的热稳定性，即高温下的抗腐蚀（主要是抗氧化）能力；
高的热强度；
良好的工艺性能。
二、金属材料的热强度及其指标蠕变强度金属材料在一定温度和应力作用下，会逐渐地产生塑性变形，这种现象称为蠕变。温度越高、应力越大、时间越长，蠕变就越严重。
蠕变强度，是指在一定温度下，使金属引起一定变形速度的应力。如表示在700℃，经过100小时，使金属发生0.2%变形量的应力为290Mpa。
蠕变强度反映了金属在高温和应力作用下，抵抗缓慢塑性变形的能力。
持久强度持久强度，是指金属在一定温度下，一定时间内发生断裂时的应力。如表示在800℃，经过100小时，使金属发生断裂的应力为340Mpa。
持久强度反映了金属在高温和应力下抵抗断裂的能力。
三、提高合金耐热性的途径用熔点较高的金属作为高温合金的基体因为熔点高的金属，原子之间结合力大，高温下不容易发生塑性变形，所以抗蠕变能力强。
熔点较高的金属有镍、钴、铁、钛、铌、钼、钨等。
钛的化学活性大，容易吸收气体而污染，仅用于制造发动机的冷端部件。
铌、钼、钨在高温下氧化太快。
钨的比重很大。
因此耐热合金主要是以铁、钴、镍为基的合金。
目前，铁基合金很少使用，钴基合金基本绝迹，绝大多数高温合金是镍基合金。
对基体金属进行合金化通过合金化可以强化基体，如通过固溶强化或沉淀强化等。
合金化可提高再结晶温度，提高蠕变强度。
某些元素有强化晶界的作用，可提高合金材料的晶间结合力。
改善铸造组织如采用定向铸造或单晶铸造制造涡轮叶片。
热处理采用适当的热处理可提高材料的强度，或改善断裂韧性。
4.2 高温合金的发展
20世纪30年代后期，英、德、美等国开始研究高温合金。
40年代，英国在镍中加入碳、钛和铝等制成了第一种镍基高温合金——Nimonic 80，并在此基础上发展了Nimonic系统。
40年代至50年代，美国发展了Inconel、Waspaloy、Udimet等系统。
70年代至80年代，铸造高温合金逐渐超过变形高温合金，在美国出现了Mar-M和IN系统。
中国从1956年开始试制高温合金，目前已有GH系变形高温合金和K系铸造高温合金。
20世纪90年代初，粉末高温合金制的压气机盘和涡轮盘投入使用，成为继变形和高温合金之后又一类高温合金。
4.3变形高温合金镍基变形高温合金通常含有十几种元素，成份非常复杂。合金元素分别通过固溶强化、第二相强化和晶界强化等手段来提高热强性和热稳定性。
加入铬、钴、钨、钼等高熔点元素形成固溶体，起固溶强化作用。
加入钛、铝、铌、钽、铪、钒、碳等元素形成金属间化合物和碳化物（第二相），起第二相强化作用。
这些强化相中，最重要的是γ’相——由三个镍原子与一个铝、钛、铌原子组成的金属间化合物：如Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Nb等。某些热强性最高的镍基高温合金中γ’相的含量可达60%~70%。γ’相可阻碍高温下的塑性形变，提高热强性。
加入硼、锆、镁、铈等元素以强化晶界。
20世纪60年代后，变形高温合金的成份基本固定下来，无法用添加更多高熔点合金元素的方法来改进高温合金的强度性能。主要的研究集中在提高原材料的纯度和改进熔炼工艺方面，以消除有害气体杂质。
变形高温合金用于制造燃烧室、尾喷口和部分涡轮盘、高压压气机盘等重要零件。特别是某些薄壁结构，如燃烧室和尾喷口，用变形合金板材制造。
但是在燃气涡轮发动机的两个最重要的位置——涡轮导向叶片和工作叶片上，变形高温合金已被铸造高温合金代替；在涡轮盘上开始让位于粉末高温合金。
4.4 铸造高温合金一、铸造高温合金的发展
20世纪60年代，变形高温合金中的铝、钛及其他高熔点元素铬、钼、钨的含量不断提高，合金的热强度不断提高。但恰恰是高的热强度，使塑性变形加工过程的阻力严重增大，难以进行锻造、轧制等热加工，或者在加工过程中沿较脆弱的界面出现裂纹。变形高温合金已无法继续容纳更多的高熔点元素。
而如果采用铸造的方式制备高温部件，那么合金中就可以熔入更多的固溶强化元素和第二相强化元素。所以铸造高温合金的工作温度达到1000℃左右，超过变形高温合金50~100℃。
而且，通过精密铸造工艺可以制成空心或多孔型叶片，通过对流和气膜冷却，可进一步提高叶片的工作温度。
铸造高温合金从60年代至90年代经历了等轴晶、定向柱晶到单晶的三个发展阶段。
（a）等轴晶 （b）柱状晶 （c）单晶图4.2 三种铸造工艺得到的叶片外形和组织结构的对比
二、铸造高温合金的组织普通铸造在一般条件下铸造零件时，熔融的合金在铸型中逐渐冷却，一开始就由多个晶核产生多个晶粒，随着温度降低，晶粒不断长大，最后充满整个零件。由于合金冷却时散热的方向未加控制，晶粒的长大也是任意的，所以得到的晶粒形状近似球形，称为等轴晶（图4.2a）。
晶粒之间的界面叫晶界。晶界上往往存在许多杂质和缺陷，因而晶界往往是最薄弱的易破坏区域。虽然采用细晶铸造工艺能在一定程度上改善铸造高温合金的持久强度和疲劳性能，但是无论如何净化晶界或提高晶界强度，始终不能改比那晶界仍作为最薄弱环节的事实。
定向铸造普通铸造获得的是大量等轴晶。等轴晶的长度和宽度大致相等，纵向晶界和横向晶界的数量也大致相同。横向晶界比纵向晶界更容易断裂。
定向柱晶铸造工艺的目的就是形成并列的柱状晶，消除横向晶界（图4.2b）。使涡轮叶片工作时最大的离心力与柱晶之间的纵向晶界平行，减少了晶界断裂的可能性。
定向铸造是控制铸型中的散热方向和冷却速度，使熔融金属由叶片的一端向另一端逐渐凝固，由于开始时有若干晶核同时生成，所以沿叶片的纵向形成排列整齐的几条柱晶。
定向柱晶组织更耐高温腐蚀，可使工作温度提高约50℃，还使疲劳寿命提高10倍以上。
空心定向凝固叶片，是先同时铸造两个半片，铸出内部复杂的冷却通道，铸造好半片后用扩散连接法焊接到一起，形成完整的叶片（图4.3）。空心叶片可以利用气流进行冷却，工作温度又可以提高100℃，寿命延长2倍左右。
图4.3用定向铸造技术生产空心叶片单晶铸造单晶铸造获得的涡轮叶片整个叶片只有一个晶粒，完全消除了晶界的有害作用（图4.2c）。
单晶铸造过程的特点是，控制熔融金属在铸型内的散热条件，只允许一个优选的柱晶长大。
单晶铸造工艺广泛使用引晶法（图4.4）：熔融金属注入铸型后，与底部激冷板接触的合金首先凝固，形成许多细小的晶粒。继续注入熔融金属，使这些小晶粒沿螺旋选晶器向上生长，大部分晶粒受到阻碍，只有一个晶粒能通过选晶器的狭小通道，继续生长，最后充满整个型腔。控制散热凝固是在铸型向下缓慢移动过程中实现的。
图4.4 引晶法生产单晶叶片过程示意图
4.5 粉末高温合金铸造高温合金可以熔入大量的高熔点元素，如钼、钨、铊等。但这些元素密度较高，容易形成偏析，影响合金性能的稳定。
而粉末高温合金可以避免元素偏析的缺点。因为用快速凝固法制出的超细粉末，直径只有10~100微米甚至更小。每一个粉末颗粒就是一个铸件，因此整体高温合金成分均匀，无宏观偏析，合金化程度可超过铸造合金。
粉末高温合金的原始合金大多是原有型号变形高温合金经成分调节制得，经过各种制粉方法得到微粉末并放入包套中，再经过热加工制成燃气涡轮部件。粉末冶金技术适合压气机盘和涡轮盘的生产。
20世纪60年代，美国开始IN100粉末高温合金涡轮盘的生产。70年代开始推广粉末高温合金涡轮盘，如PWA2039、PWA4089、CFM-56-5C2、GE-90等燃气涡轮发动机等。
20世纪80年代以来，出现了将定向凝固叶片或单晶叶片同粉末高温合金涡轮盘结合成整体的工艺。将叶片在粉末盘的成型过程中嵌合，得到整体带叶片盘，疲劳强度可以提高近一倍。
第五章 高分子材料与陶瓷材料
5.1 高分子材料高分子材料来源丰富，生产成本低廉。在生产以及日常生活中已经成为不可缺少的一类材料。
按照用途可以将高分子材料分为塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等。
高分子材料又称为高聚物。
一、高分子材料的基本概念高分子化合物是分子量特别大的一类化合物。
一个高分子化合物种可能包含成千上万个原子。高分子化合物的分子量可以高达几万、几十万甚至上百万。
原子之间以共价键连接起来。
自然界中存在的纤维素、淀粉、蛋白质和天然橡胶都是由高分子化合物组成的。人工合成的各种塑料、橡胶和纤维也是由高分子化合物组成的。
高分子化合物的分子量虽然很大，但其化学成分组成一般都比较简单。
组成高分子的元素主要是碳、氢、氧、氮和硅等少数几种元素。
整个高分子只不过是许多简单的结构单元重复连接起来的长链。
合成高分子所用的小分子原料称为单体，在高分子中称重复结构单元，又叫链节。
高分子中包含的重复结构单元的数目称为聚合度。聚合度越大，高分子的分子量越大。
高分子材料由大量的大分子链聚集而成。合成时大分子链长短不一，其数量呈统计规律分布。高分子材料的分子量是大量分子链分子量的平均值。以各级分子量取平均值得到的平均分子量叫做重均分子量。
二、高分子材料的人工合成高分子材料可使用小分子单体通过加聚反应或缩聚反应制备得到。
加聚反应含有双键的低分子化合物（单体）在光、热或引发剂的引发下使双键打开，由共价键互相连接而形成大分子链的反应。
由一种单体加聚而成的聚合物叫均聚物，如乙烯聚合得到聚乙烯。
如果聚合物链由两种或两种以上的单体聚合而成，则称为共聚物，如ABS树脂是由丙烯腈（Acrylonitrile）、1,3-丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene）三种单体聚合得到的。
加聚反应得到的高分子其分子量等于单体分子量的加和。
缩聚反应由两种或两种以上具有官能团（决定分子化学性质的特殊原子团）的低分子化合物（单体），通过官能团的相互缩合作用，逐步合成为一种大分子链，同时析出一个小分子副产物（如水、氨或醇）等的反应。
缩聚反应中，得到的高分子产物叫缩聚物。
由于缩聚反应中生成低分子副产物，缩聚高分子的组成不可能与原料单体的组成完全相同，缩聚高分子的分子量也不可能是单体分子量加和。但是在缩聚高分子链中仍保留着原料单体的结构特征。
三、高分子化合物的基本性质质轻：高分子化合物都具有较小的密度，如各种塑料的相对密度大致为0.9~2.2。
比强度高：高分子材料在不少场合已逐步取代金属材料的位置，如已有“全塑汽车”问世。
弹性：高分子材料都具有弹性。广泛使用橡胶制造轮胎、减震密封垫片即是利用其高的弹性。
可塑性：在常温，或加热到一定温度下，高分子材料在压力作用下都可发生塑性变形，易于加工成形。
耐磨性：由于高分子材料具有弹性，用高分子材料制成摩擦副在相对运动时不易咬合。而且聚四氟乙烯等高分子材料还有自润滑性，所以高分子材料一般耐磨损。
绝缘：高分子材料是电和热的绝缘体。
耐腐蚀：高分子材料不会发生电化学腐蚀。但高分子的老化可认为是一种广义的腐蚀破坏。
四、高分子材料的力学状态高分子材料随温度变化，可呈现不同的力学状态，对高分子材料的加工成形和使用都具有重要意义。
在恒定载荷作用下，线型无定型高聚物在不同温度范围存在三种状态：
玻璃态温度较低时，高聚物呈刚性固体状，在外力作用下只发生很小的且可恢复的形变。
一般以塑料形式使用的状态是高分子材料的玻璃态。所有室温下处于玻璃态的高聚物都叫塑料。
高弹态在超过玻璃化转变温度Tg后，高聚物会变成柔软的弹性体。在载荷的作用下，形变明显增加。去掉外力后，形变可回复，但需要时间。
高弹态又称橡胶态，是橡胶的使用状态，所有室温下处于高弹态的高分子材料都叫橡胶。
粘流态温度高于软化温度Tf时，高聚物处于粘性流体状态，可以流动。
粘流态是高聚物流变加工成形的工艺状态。
五、高分子材料的应力-应变行为室温下高分子材料有四种典型的应力-应变行为：
刚而脆：弹性模量大，但强度低，断裂时形变小，呈现脆断特征。如聚苯乙烯塑料。
刚而强：弹性模量大，且强度高，断裂时形变小，呈现脆断特征。如有机玻璃、硬聚氯乙烯等。
软而韧：弹性模量小，且强度低，断裂时形变大，具有一定的韧性。如聚酸脂和一部分结晶高聚物。
刚而韧：弹性模量大，且强度高，断裂时形变大，具有一定的韧性。如多数橡胶材料。
与金属材料相比，高聚物的弹性模量和强度要低得多，最大可能的断裂伸长率又比金属高得多（即高分子材料具有更强的塑性）：
高聚物的弹性模量范围为7~35GPa，金属材料的弹性模量范围为48~410Gpa。
高聚物的最大强度为240MPa，金属材料中某些合金的强度可高达4100Mpa。
高弹态高聚物的断裂伸长率可达到1000%，而一般金属塑性变形时最大的断裂伸长率不超过100%。
高聚物的应力-应变行为受温度影响很大。随温度升高，弹性模量和强度下降，断裂伸长率增加。如有机玻璃，在40oC时是典型的刚而脆的材料，而到660oC时，变成典型的刚而韧的材料。
六、常用高分子材料高聚物根据力学性能和使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类，但是各种高聚物之间并无严格的界限。同一种高聚物采用不同的合成方法和成形工艺，可以制成不同使用状态的产品。如尼龙，即可制成塑料，也可制成纤维。某些高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，很难明确归类为塑料或橡胶。如聚氨酯类高聚物。
塑料塑料工业已有100多年的历史，是高分子材料工业中生产最早、发展最快、产量最大、应用最广的一个行业。每隔五年，世界塑料产量就翻一番。
塑料是以树脂为基础，加入各种添加剂，在一定温度、压力下可塑制成形的材料。
树脂是塑料的基体，约占塑料质量的40%~100%，决定了塑料的主要性能。
添加剂是为改进塑料的使用性能和工艺性能而加入的其他成分。如增塑剂可提高塑料的柔软性和成形能力；填充剂可改善尺寸稳定性和减磨、耐磨、自润滑性；防老剂用于防止塑料在加工和使用过程中，因受热、光、氧等的影响而过早老化等。
按应用范围，可将塑料分为：通用塑料、工程塑料和耐高温塑料等。
按受热后的性能，可分为热塑性塑料和热固性塑料。
热塑性塑料由聚合树脂制成，仅加入少量稳定剂和润滑剂。具有加热软化，冷却变硬，可多次重复使用的特点可用注射、挤出、吹塑等工艺成形。
热固性塑料以缩聚树脂为基础，加入固化剂，在一定条件下发生化学反应，固化为不熔的坚硬制品。可用模压、层压、浇铸等工艺成形。
橡胶橡胶是具有高弹态的轻度交联的线型高聚物，在-40oC~80oC范围内处于高弹态，在较小的负荷作用下可发生大的变形，除去负荷后又能很快恢复原来的形状。
橡胶的强度和弹性模量比塑料低，但伸长率比塑料大得多，表现为弹性材料。
橡胶具有优良的伸缩性、良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，被广泛用于制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。
橡胶制品是在生胶中加入各种配合剂，经过硫化处理所得到的产品。加入的配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂等。
橡胶有天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶又分为通用合成橡胶（轮胎、运输带、胶管、垫片、密封装置等）和特种合成橡胶（高温、低温、酸、碱、油和辐射介质等条件的橡胶制品）。
合成纤维合成纤维是化学纤维中的一类，化学纤维可分为人造纤维和合成纤维。
人造纤维是以天然高分子纤维素或蛋白质为原料，经过化学改性而制成的，如粘胶纤维（人造棉）、醋酸纤维（人造丝）、再生蛋白质纤维等。
合成纤维是由合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得纤维。最早的合成纤维是美国杜邦公司于1938年发明的尼龙。自尼龙的问世之日起，合成纤维工业发展速度很快，产量直线上升，品种也越来越多。合成纤维具有强度高、耐磨、保暖、不霉烂的优点。除广泛用作衣料等生活用品外，在工农业、国防也有重要应用。
最重要的六大合成纤维是：
聚酯纤维：涤纶（的确良）
聚酰胺纤维：锦纶（人造毛）、尼龙、芳纶聚丙烯腈纤维：腈纶聚乙烯醇缩醛纤维：维纶聚烯烃：氯纶含氯纤维：氟纶胶粘剂粘合是指两种相同或不同材料的表面通过各种界面力而结合在一起。这种界面力是通过胶粘剂，也就是各种聚合的单体通过聚合反应而实现的。
与铆接、焊接相比，在飞机上使用胶接结构，具有抗疲劳、结构重量轻、气动外形好、可降低成本、可连接不同的材料和级薄的材料等优点。
胶粘剂由基料、固化剂、填料、溶剂或稀释剂、增塑剂与增韧剂、偶联剂、稳定剂、性能改良剂、防霉剂等组成。
涂料涂料可以保护飞机结构材料不受环境侵蚀，保持材料和结构的强度；不同色泽的涂料可起到装饰、伪装和标志作用；涂漆后可使飞机表面平整光顺，改善气动性能。
涂料的基本原料为油脂、天然树脂、合成树脂、颜料、填料、溶剂、助剂。
树脂在涂料中起到形成漆膜的作用，称为成膜物质。
涂料按成膜物质分为：
醇酸树脂涂料丙烯酸树脂涂料聚氨酯树脂涂料聚丙烯树脂涂料环氧树脂涂料双组分涂料目前民用飞机的外表面涂料主要是聚氨酯树脂涂料和环氧树脂涂料。
5.2 陶瓷材料一、陶瓷材料的含义以往，陶瓷材料指硅酸盐材料和氧化物材料，主要用于日用器皿和建筑材料。
现在，陶瓷材料则泛指无机非金属材料、非金属磁性材料以及电绝缘、耐高温、耐腐蚀、耐磨的金属与非金属的化合物材料。
陶瓷材料可用作结构材料和特种用途材料，已与金属材料和高分子材料一起成为构成工程材料的三大支柱。
二、陶瓷材料的性能与应用陶瓷材料的原子之间大都以共价键和离子键结合，且键合能量高，所以陶瓷材料通常具有熔点高、硬度高、化学和热的稳定性好的特点。
陶瓷最大的缺点是塑性差，多数陶瓷材料在常温下没有塑性。陶瓷的应力-应变曲线上通常只出现弹性变形，断裂呈现脆性断裂的特征。
陶瓷材料还具有绝缘、绝热的性质。
高温高强度陶瓷可用于喷气发动机和燃气轮机的高温零件，如涡轮叶片等。
超硬陶瓷主要用于制造刀具、刃具和模具。
工程结构陶瓷在航空领域的应用如：
发动机的涡轮叶片（SiC、Si3N4）和燃烧室（Si3N4）
雷达天线保护罩（Al2O3、ZrO2）
陀螺仪轴承（Al2O3）
红外线探测窗口（MgO、Y2O3）
第六章 复合材料
6.1 引言复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。
构成复合材料的相，一般分为粘结材料（基体）与增强材料（颗粒、纤维和片状材料等）。
通过选择不同的增强材料和基体材料进行合理的性能设计，再采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合，可使得到的新材料具有高于原先单一材料的性能，或单一材料不具备的性质和性能，如优异的力学性能、物理-化学多功能或生物效应等。
复合材料已经成为现代航空航天不可缺少的结构材料和功能材料。
现代复合材料具有高的比刚度和比强度，成为现代飞行器首选的结构材料之一。
现代复合材料具有可设计性，可以实现结构承载与功能一体化的优点，出现了很多功能-结构复合材料，如飞机隐身材料、导弹多功能防热材料和全复合材料固体火箭发动机结构等。
现代复合材料有不同的分类方式，详见下表：
表6.1 聚合物基复合材料的分类
其中聚合物基复合材料的基体又有树脂基体和橡胶弹性基体两种。
树脂基体处于玻璃态，具有高的模量、强度和尺寸稳定性，可作为承力结构材料。由于目前复合材料的优势在于用作结构材料，因此树脂基复合材料更为重要。
树脂基复合材料由树脂基体和增强纤维构成。
其中纤维是主要的承载体，是决定复合材料力学性能（如模量和强度）的主要因素。
树脂基体起形成复合材料形状、支撑和保护纤维、传递载荷的作用。
当复合材料受力时，树脂基体所受的应力通过界面传递给纤维。需要纤维和树脂形成足够强的界面粘结。如果界面粘结较弱，界面将在低应力下断裂，无法有效传递应力，不能充分发挥纤维的增强作用。因此，选择高性能的增强纤维和与之匹配的高性能树脂基体，形成好的界面结构与性能，才能获得最佳的复合效应。
6.2 先进聚合物基复合材料的特点一、比强度高、比模量高纤维/聚合物复合材料最突出的优点是比强度和比模量高于其他结构材料。
高模量碳纤维复合材料的密度约1.6 g/cm3，只有钢的1/5、铝的3/5。其比强度为钢的5倍、铝合金的4倍、钛合金的3.5倍以上。其比模量是钢、铝、钛的4倍甚至更高。
二、耐疲劳性能好大多数金属材料的疲劳极限强度是其拉伸强度的30%~50%，而碳纤维/树脂基复合材料的疲劳极限强度可达到其拉伸强度的70%~80%。
金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆性的破坏。而复合材料中纤维与基体界面可以阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到界面上，破坏前有明显的预兆。
三、减震性能好受力结构的自振频率除与结构形状有关外，还与结构材料比模量的平方根成正比。
由于复合材料的比模量高，因此，其结构件具有高的自振频率。
同时，复合材料中的聚合物基体和界面，尤其是高韧性的树脂和橡胶基体，具有显著的震动阻尼特性。
高的自振频率和阻尼决定了复合材料有很强的吸振能力。
对相同形状和尺寸的梁进行振动试验表明，轻合金梁需9s才能停止振动，而碳纤维复合材料梁只需2.5s就停止了同样大小的震动。
四、具有多种功能性选择适当的基体和纤维，可使复合材料具有某种或多种功能性。例如选择具有高比热、熔融热和汽化热的聚合物基体（如酚醛树脂）制成的复合材料，在很高的温度下可以吸收大量的热能。这种具有防热功能的复合材料可作为航天飞行器的烧烛防热材料。
五、各向异性及性能可设计性纤维复合材料的性能除了与纤维、树脂的种类及体积含量有关之外，还与纤维的排列方向、铺层次序和层数密度以及编织、针织方式等有关。
因此可根据结构件的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料铺层设计和各种编织方式来满足预定的要求，实现构件的优化设计。
六、材料与结构的同一性与一般工程材料不同，复合材料制造与制品成形是同时进行的。可实现复合材料制品的一次成形，适合于大面积、结构形状复杂的构件的精确整体成形，有利于提高生产效率和制品的质量。
七、热膨胀系数小在冷热交变时，复合材料结构尺寸稳定性好。
6.3 聚合物基复合材料的缺点和问题一、耐湿热性较差大多数聚合物基复合材料最高工作温度为230oC以下。例如广泛使用的环氧树脂基复合材料，在干态的工作温度约为180oC，但在湿态，工作温度降至120oC。
二、材料性能的分散性较大复合材料的性能与原材料的选择，制造过程中所发生的一系列复杂的化学反应和物理变化以及生产条件、厂房环境等有关。复合材料制造的全过程都必须严格控制和检验，以保证制品质量的稳定性。
三、价格过高与其他工程材料相比，复合材料过高的价格阻碍了它的应用，尤其是在民品中大量应用。
6.4 先进聚合物基复合材料在航空工业的应用先进聚合物基复合材料从50年代末即用于航空航天部门，并在70年代后期迅速发展成为继铝、钢和钛之后的又一类结构材料。
复合材料在飞行器的用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要标志之一。
复合材料在飞机结构中已大量采用。现代战斗机中，复合材料结构的应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等等。F22战斗机树脂基复合材料的用量为24%。
民用飞机方面，早期应用部位以次结构（如整流罩、固定翼和尾翼口盖壁板、发动机罩）以及飞机控制面（如副翼、升降舵、方向舵和扰流片）为主。在主结构方面，目前主要是高强中模碳纤维/高性能增韧树脂基复合材料应用于尾翼、机身等部件上。
表6.2 Airbus和Boeing飞机中复合材料的应用
当前波音和空客最新型号的干线飞机，在主承力结构上也大量使用了先进复合材料（图6.1、6.2）。
图6.1 未涂装的B-787下线
图6.2 B-787的复合材料机身结构复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大。不仅机身结构，而且由桨叶和桨榖组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。
6.5 复合材料的增强材料增强纤维在复合材料中的体积比可以达到60%以上。为保证复合材料的低密度，要应用轻质高模高强纤维。
由于材料的理论密度是其组分原子的原子序数和晶体结构等参数的函数，因而轻质纤维通常由低原子序数的元素或其基团组成，其中包括碳（C）、氮（N）、氧（O）、硼（B）和硅（Si）。
B纤维已研制成功，但由于价格高应用受限制。
现在树脂基复合材料中应用的纤维主要是玻璃纤维、碳纤维和有机纤维。
一、玻璃纤维玻璃纤维由二氧化硅和铝、钙、硼等元素的氧化物以及少量的加工助剂氧化钠和氧化钾等原料经熔炼成玻璃球，然后在坩埚内将玻璃球熔融拉丝而成。
从坩埚中拉出的每一根线称为单丝，一个坩埚拉出的所有单丝，经浸润槽后，集合成一根原纱（又称丝束）。
原纱是构成商品纤维和织物的最基本单位。
玻璃纤维的特点是：
强度高：拉伸强度远远超出各类钢材的强度（1010~1815MPa）。
热性能好：与碳纤维和有机纤维相比，玻璃纤维有优良的氧化稳定性。但其强度随温度升高而降低，玻璃纤维在400oC经24h后，强度下降一半。由于玻璃纤维熔融温度高达1200oC，所以它具有短期耐高温性。
透波性：玻璃纤维可以透过电磁波，玻璃纤维增强的树脂基复合材料可以用于制造雷达罩。
缺点：模量低和密度大，其比模量远低于碳纤维和芳纶纤维。因此，在飞行器结构复合材料中，玻璃纤维应用相对要少。
二、碳纤维碳纤维是一种含碳量在90%以上不完全石墨结晶化的纤维状碳素材料，它既具有一般碳素材料低密度、耐高温、耐腐蚀、导电、导热等特点，又具备向异性、轴向拉伸强度和模量高、成丝状柔软可制造加工的特点。
对碳纤维在2500oC以上高温处理可得到碳含量在99%以上的、原子排列三维有序结构的石墨纤维。石墨纤维具有更高的弹性模量。
碳纤维的制造方法有两大类：有机纤维法和气相生长法。
应用于聚合物基复合材料的碳纤维以有机纤维法制造的为主。即通过有机聚合物纤维进行高温碳化制得。
碳纤维的性能：
比模量和比强度高：其拉伸强度一般大于5000MPa，拉伸模量为330~310GPa。碳纤维的相对密度约为1.8左右。
热性能：在惰性气氛中，即使温度超过2000oC，碳纤维仍具有承载能力，最高工作温度大于2500oC，远高于已知的其他纤维。
导电性：碳纤维可导电，且电动势为正值，当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生电化学腐蚀，应采取措施予以避免。
碳纤维可吸收电磁波，可制得具有吸波功能的复合材料。
三、有机纤维目前用于制造先进聚合物基复合材料的有机纤维主要是芳酰胺纤维（芳纶纤维）。其中又以聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维为典型代表。
美国杜邦公司生产的PPTA纤维，注册商标为Kevlar系列。
PPTA纤维具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、吸能性和减震性好、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸稳定等优异的力学和动态性能；以及良好的耐化学腐蚀性、高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔等突出的热性能以及优良的介电性能。
四、增强织物目前除连续纤维及短切纤维直接用作增强材料外，为了克服上述复合材料横向性能差、层间剪切强度低和不耐冲击等弱点，在先进聚合物基复合材料制造中大量采用二维和三维结构的织造物作为增强材料。
6.6 复合材料聚合物基体材料原则上，所有聚合物都可作为复合材料的基体材料。
但对航空航天用的先进复合材料而言，选用的聚合物基体都应该是高性能的：即除了具有良好的工艺性能之外，还应具有优良的力学性能（强度、模量和韧性）和环境稳定性（其中最重要的是湿热稳定性）。
此外，在许多情况下，还要求聚合物基体具有某种功能性。
树脂基体按其在成形中的行为可分为热固性树脂和热塑性树脂。
热固性树脂含有多个官能团的小分子化合物（预聚体），具有可溶解和可熔化的性质。将其加热至某一温度范围时，树脂熔融流动，官能团发生聚合反应成为大分子，而被固化成形。
在固化过程中，树脂分子链上的官能团发生反应，从而使分子链扩链、支化（分子质量增加）和交联，最终形成交联（体形）结构的大分子。
热塑性树脂在用于复合材料结构成形之前已经是一种高分子量的聚合物，具有高的熔点和熔融粘度，将它加热到熔点以上而流动塑化，冷却后重新固化，使复合材料最终成形。
也就是说，在成形过程中，热塑性树脂基本上不发生化学反应，只发生物理状态的转变。这一点与热固性树脂不同。
两类树脂基体材料的特点分别是：
热固性树脂：优点是易于浸渍纤维以制造预浸科，固化温度和固化压力较低；复合材料具有高的强度、模量和尺寸稳定性及高的耐热性。主要缺点是材料不能反复成形、成形周期长、材料的脆性大及很难回收再利用。
热塑性树脂：优点是复合材料的韧性高，挥发份、可凝物少，材料可反复成形；制造工艺周期短和容易回收再利用。但热塑性树脂存在预浸料制造困难、成形温度很高、成形压力大的缺点。
热固性树脂基体研究较早，性能数据积累较完整，制造工艺较为成熟，是目前应用最为广泛的树脂基体。其主要品种有环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂等。
环氧树脂环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物。环氧基是活泼的基团，可以位于环氧树脂分子链的末端、中间。环氧树脂通过其环氧基与多种固化剂发生交联反应而形成体形结构的高聚物。
环氧树脂是开发最早、应用最广的高性能树脂基体。它具有优良的工艺性和与增强纤维的粘结性，固化树脂具有高的强度和模量。且品种多、适应面广、价格低。环氧树脂基体主要由环氧树脂、固化剂以及其他改性剂组成。
双马来酰亚胺树脂双马来酰亚胺树脂是以BMI（图6.3）单体为基础经各种改性而成的一类树脂。
图6.3 BMI树脂
BMI树脂脆性大、单体熔点高，不适合直接用作树脂，必须改性后才能使用。目前，商品化的改性树脂体系多达几十个。表6.3列举了几种BMI树脂基复合材料的性能及其在飞机结构中的应用情况。
表6.3几种BMI树脂基复合材料
酚醛树脂酚类和醛类的缩聚产物称酚醛树脂。其中以苯酚和甲醛合成的酚醛树脂（图6.4）最为普遍。
酚醛树脂原料易得，合成方便，价格低廉，固化产物具有较高的力学性能，耐热性和绝缘性好，耐蚀，广泛应用于制造增强塑料，特别是碳纤维增强复合材料。
图6.4 酚醛树脂
6.7 聚合物基复合材料制件的基本成形方法聚合物基复合材料的特点之一是其制件可以整体成形，而且复合材料的制造实际上是在其制品成形过程中完成的。
成形时可以来用不同形式的原材料或中间材料，如预浸料、预成形坯等，其中最常见的是纤维浸渍树脂（或聚合物）形成的预浸料。
复合材料的成型是树脂基体发生化学反应和物理变化的结果。热固性树脂基复合材料，其成型过程主要是树脂分子链增长和交联反应，最终形成纤维增强的体形高聚物（化学转变）。热塑性树脂基复合材料，在形成过程中，树脂主要发生热熔塑化和冷却硬化的相转变（物理转变）。
一、预浸料的制备预浸料是指将树脂浸渍到纤维或纤维织物中，并通过一定的处理制得的复合材料中间材料。
根据纤维的纺织形成，预浸料可分为单向预浸料和织物预浸料两大类。单向预浸料由单向纤维组成，织物预浸料由纤维织物组成。
根据树脂状态不同，预浸料的制备方法可分为：
溶液法将树脂组分溶于溶剂中配制成一定浓度的溶液（胶液），纤维从溶液槽中通过而浸上胶，然后烘干、收卷成预浸料。
热熔法将树脂加热到熔化温度，纤维从熔化的胶液槽中通过，浸胶得到预浸料。
二、树脂基复合材料的常用成形工艺方法热压罐成型飞机上应用的复合材料结构件通常用热压罐法来制造。
首先，把预浸料按纤维方向，以不同的角度在模具上铺层至规定的厚度，然后经覆盖薄膜、形成真空袋，再送入热压罐中加热、加压固化而得到成形的复合材料结构件（图6.5）。
图6.5 热压罐成形工艺示意图连续纤维缠绕成形缠绕成型是用专门的缠绕机，把浸渍过树脂的连续纤维或织物条带，按照预定的线型，有规律地在旋转芯模上进行缠绕铺层，然后固化和卸除芯模，获得制品（图6.6）。
图6.6 连续纤维缠绕成形工艺树脂传递模塑（RTM）成形
RTM成形的方法是，在模具的模腔内预先放置增强预成体材料，闭合模具后将树脂通过注射泵传输到模具中浸渍增强纤维，并加以固化，最后脱模制得成品（图6.7）。
图6.7 RTM成形工艺过程简图
1.1 航空材料是航空工业主要基础航空材料与航空技术的关系极为密切，航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用：航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。
一、航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在“轻质高强、高温耐蚀”。
所谓“轻质高强”是指，要求材料的比强度高，即要求材料不但强度（静强度高、能承受大过载、疲劳强度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“为每一克减重而奋斗”，反映了减重对于航空产品的重大经济意义（见表1.1）。而且材料减重对飞机减重的贡献也越来越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。
表1.1 飞行器结构减重带来的效益（1990年数据）
机种
小型民用飞机
直升机
先进战斗机
商用运输机
超音速与高超音速运输机
航天飞机
美元/磅
50
300
400
800
3 000
30 000
“高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。
“耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。
当然，除以上性能外，对某些材料还要求有其他方面的性能，如：非金属材料要具有良好的耐老化性能和耐气候性能；透明材料要具有良好的光学性能；电工材料具有良好的电学性能；以及防火安全性能等等。
二、航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求。
航空器是技术密集、高集成度的复杂产品，只有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可靠、性能优良的飞机、发动机。
航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小批量、技术质量要求高等特点。
三、航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料。
新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。
1.2 航空材料的分类航空材料有不同的分类方式：
按成份可分为四大类：
金属材料：铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等。
无机非金属材料：玻璃、陶瓷等。
高分子材料：透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等。
先进复合材料：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料、碳/碳复合材料等。
按使用功能可分为两大类：
结构材料功能材料本课程主要介绍结构材料。所谓结构，是指由板、杆等承力单元件构成的承力系统，在载荷作用下，该系统只产生小的弹性形变，即系统应具有几何不变性。如承力系统是几何可变的，则承力系统不是结构，而是机构。以飞机为例，航空产品中典型的结构包括：机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼、各种操纵面、起落架（除传动机构之外的部分）等。用于加工制造这些结构的单元件的材料都属于结构材料。
1.3 航空材料的演变一、飞机结构材料的演变早期飞机的结构以木材、蒙布、金属丝绑扎而成（图1.1），后来又发展为木材与金属的混合结构。
图1.1 飞行者一号（复制品）
到了二十世纪三十年代，随着铝合金材料的发展，全金属承力蒙皮逐渐成为普遍的结构形式（图1.2）。
（a）Me 109型战斗机（德国，1935年）
（b）喷火式战斗机（英国，1936年）
图1.2 二十世纪三十年代出现了全金属承力蒙皮结构的飞机二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空结构材料的行列。四、五十年代，不锈钢成为航空结构材料。
到五十年代中期开始出现钛合金，嗣后并被用于飞机的高温部位。
二十世纪六十年代，开发出树脂基先进复合材料，后来在树脂基复合材料的基础上又出现了金属基复合材料。
现代飞机大量采用新型材料。如F-14（美国，1970年，图1.3）的机体结构中有25%的钛合金、15%的钢、36%的铝合金、还有4%的非金属材料和20%的复合材料。
图1.3 F-14“雄猫”可变后掠翼战斗机由于采用了可变后掠翼，F-14背部有着结构复杂的箱形结构——翼盒。翼盒两端容纳可变翼翼根转轴。此部分是可变翼设计飞机的重点，也是飞机死重的来源。为了使翼盒重量尽可轻而又不应影响强度，格鲁曼采用高强度轻重量的钛合金来制造。
新近投入使用或正在开发中的先进飞机（包括军机和民航机）的机体结构用材料的主要特点是：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料，从而提高飞机的结构效率，降低飞机结构重量系数。其中又以先进复合材料和钛合金用量的增加，传统铝合金和钢材的用量相应减少的特点最为突出。先进复合材料和钛合金的用量、材料本身的性能指标、结构设计水平和零组件加工质量已成为这些航空产品先进性的主要表现之一。
从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材的发展趋势是：
铝合金铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。
结构钢一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。
钛合金钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。
先进复合材料由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。
二、航空发动机用材的演变早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳素钢为主。
涡轮喷气发动机（包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机）的性能水平很大程度上依赖于高温材料的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键：
涡轮叶片材料在二十世纪四十年代，尽管喷气式发动机的原理早已提出，但由于没有合适的高温材料用于制造涡轮，所以发展迟缓。
到五十年代初，英国的White公司开发出了镍基高温合金。
到六十年代，开始使用真空熔炼方法制造高温合金，合金的纯度得到提高，性能更好。
七十年代，开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作温度和耐疲劳性能进一步提高。
涡轮盘材料二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为800~900℃，采用了16-25-6铁基合金。
五十年代，随着涡轮进口温度提高到950℃，出现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理使合金具有更高的高温强度。
到七十年代，进口温度提高到了1240℃，出现了Rene 95合金和粉末冶金高温合金。
对航空产品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军用发动机的推重比已经达到10，如美国的F119发动机已装备了F22战斗机。大推力涡轮风扇发动机如GE90、PW4073/4084、Trent800等早已为B777、A330等大型宽体客机所选用。
在这些先进航空发动机中，高温材料仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压气机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉末冶金材料和单晶叶片材料（涡轮）等，民用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料。
第二章 轻合金
2.1 铝合金一、铝合金的发展历史在历史上，先后有几种金属材料得到广泛应用，推动了生产力的发展和人类自身的进步。首先得到应用的是金。随后是铜，特别是青铜，几大文明发源地都先后出现了灿烂的青铜文化。铜的发展历史有8000多年。铁和锡也有5000多年。另外还有铅和汞也都有几千年的历史了。
而人类到公元1825年才首次制得几毫克铝粉。铝发现得晚，炼铝技术成熟得更晚。无论是在人们发现的金属元素，还是作为一种结构材料，铝及其合金都是小字辈。但是铝和铝合金的出现，却极大地推动了工业文明，特别是航空航天科技和工业的发展。
在1746年，波特（J,H,Pott）用明矾制得一种氧化物。我们都知道明矾是铝和钾的复合硫酸盐。把它在高温下灼烧分解，失去二氧化硫和水，再将氧化钾用水洗去就剩下氧化铝了。当然那个时代的人们没有我们现在这么丰富的化学知识罢了。当时其他的科学家，如法国的拉瓦锡（A,L,Lavoisier）认为，这是一种与氧结合很牢的未知金属的氧化物，用碳和其他还原剂都夺取不了它所结合的氧。这样，就拉开了提炼单质铝的帷幕。
1807年，英国的戴维（H,Dary）用铂片做阳极，铁丝做阴极，用直流电电解熔融的钾碱与这种氧化物的混合物，结果只制得少量的合金。戴维虽然没有成功地提炼出单质金属，但他坚信这种金属的存在，并命名为Aluminium，后来去掉第二个i，改称Aluminum，但有些国家仍称为Aluminium。
1825年3月，丹麦物理学家奥尔斯泰（Hans Christan Oersted）用钾汞齐还原无水氯化铝，然后在真空条件下把得到的铝汞齐中的汞蒸馏掉，得到了几毫克的铝粉。奥尔斯泰的报告中说，铝具有与锡相同的颜色和光泽。
1845年，德国化学家沃勒（Priedrich Wohler）也用钾还原氯化铝的方法得到了一些10~15mg的铝珠，并初步测定了它的密度、延展性和熔点等。
以上还只是在实验室中出于研究的目的少量制取铝。到了1854年，法国冶金学家戴维尔（Henri Sainte Claire Deville）用便宜的钠代替钾，用吸水性较小，稳定性较好的复盐NaAlCl4代替极易吸水而水解的无水氯化铝，制得纯度为97~97.3%的铝。同年，在拿破仑三世（拿破仑一世的侄子）的支持下建厂进行工业生产。
1855年，一件稀世之宝——银光闪闪的铝标本呈现在巴黎博览会上。它无穷的魅力立即引起了全世界的巨大反响。美英德等国相继建厂生产珍贵的铝。铝自问世即得到显贵们的宠爱。这个时候生产出来的铝比白金还贵，每千克价格达到600美元，只能用来制作昂贵的首饰以显耀豪富。当时，西欧的国王和往后视铝如宝石，戴在头上或挂在胸前以示其尊贵。法兰西帝国皇帝拿破仑三世（1808-1873）喜欢宴请四方宾客，每次设宴时，宾客用的都是银碗，惟有他一人用铝碗。后来虽然经过30年的改进，铝加逐步降到9美元一公斤，仍然相当贵。
可是，只过了20年，因为电解法炼铝的成功，铝价大跌。就像成长中的婴儿，铝开始蹒跚起步了。
用戴维尔的化学法总共只生产了200t铝。
发明电解炼铝法的是两个人。他们是当时同为23岁的青年——美国俄亥俄州的霍耳（Charles Martin Hall）和法国诺曼底的埃鲁（Paul Lovis Toussaint Herroult）。
1886年，霍尔与埃鲁不约而同地将氧化铝投入熔融的冰晶石中，通入直流电电解出金属铝。这个方法不再需要消耗昂贵的金属钠作还原剂了，成本大大降低，产量和质量也有很大的进步。这就是著名的，现在仍在使用的霍尔-埃鲁电解法。这两个人有很多巧合的地方，同一年出生，同一年作出重大发现，专利申请日期只相差2个月，霍尔是在1886年2月23日申请美国专利，埃鲁在4月23日申请法国专利，5月23日申请书寄到美国专利局。当然美国专利已经给了霍尔了。这是一个巧合。这两位科学家都在1914年，也就是51岁的时候英年早逝，都死于伤寒。
在发明炼铝技术之后，埃鲁和霍尔就分别开始了开拓铝工业的艰辛道路。
当时，人们受习惯思维的限制，总认为铝只能用来做些首饰而已，铝应用尚未打开局面。到1900年，也就是十九世纪的最后一年，全世界只有7个铝厂，总年产量不超过八千吨。但是这个时候，铝价已经降到每公斤0.5美元了。虽然人们已经知道可以利用现成的设备加工铝制品，而且铝在家用器具，如炊具生产上有优势。但制造商们却因需要购置新设备和重新培训工人而无动于衷。
到了1906年，这在铝工业发展历史上同样是一个重要的年份。在这一年，德国的冶金学家阿弗列?威尔莫（Wilm）尝试将其他金属元素添加到铝中，终于发明了一种含有铜、锰、镁和铝的合金。他还发现这种铝合金具有一种神奇的效应，即在常温下放置4天会自动变得非常坚硬，很适合用来制造运输工具和其他工业装备。因为这种铝合金首次在杜拉实现工业生产，故命名为杜拉铝。
从此，铝的需求量逐渐增加。世界铝产量从1906年的1.45万t，1910年的4.38万t，增长到1913年的6.82万t。铝第一次作为飞行器结构材料是在一战期间，德国人用杜拉铝（当时其成分及硬化工艺是保密的）制成一种硬式飞艇，它的航速达100km/h、航程在200km以上，能携带炸弹，具有很强的威慑力。协约国军事专家为此大伤脑筋。战后杜拉铝的秘密被揭开，全世界马上开始了用铝合金研制飞艇的热潮，铝被誉为“飞行金属”，进入航空工业市场。杜拉铝的发明为铝工业的发展提供了一个机遇。
另外，高压远距离输电技术研究成功给铝工业带来了另一个机遇。
尽管铝的电导率是铜的65%，但它的密度仅为铜的三分之一。在相同的电阻之下，铝导线的重量仅是铜导线的46.6%，用铝导线代替铜可以大大鉴清导线的重量及支撑导线的桥塔的复合，从而节省投资。在20世纪早期，火力发电技术尚未应用，发电依靠水利，所以当时的输电距离动辄达到2000km之遥，对铝电缆的需求量大增。
在二十世纪初，汽车工业开始使用铝合金，但当时车身都是木制的。这一方面是由于当时使用的发动机马力小，效率低，金属车身相对来说太重，驱动不了，另外金属件的冲压等塑性加工技术还不那么发达，还无法制造出轻巧的金属构件。当时是手工将铝制成装饰板，然后绑缚或粘接在槐木制的车身上。汽车的散热器也用铝代替钢。这些都是因为铝轻而且不生锈。
和平用铝是铝工业健康发展的永恒动力。但是战争也会极大地刺激铝工业的发展。战争需要各种激动运输车辆，促使内燃机研制迅速发展。为了减轻发动机重量，一些铸造件以及活塞都用铝合金制造。活塞运动的惯性因为质量更轻而减小，与活塞连接的其他零件如曲轴、轴承架上的应力相应减小，发动机便做得轻巧多了。在第一次世界大战的四年中，交战双方共制造了20多万台发动机。期间经过战争环境考研的技术在战后都很好地转用到航空和汽车工业当中。
战时，铝还用于制造油罐、武器外壳、机枪散热片、光学仪器及士兵的饭盒和水壶等。这些因素都使铝的需求量大增。当时欧洲的铝价涨了一倍、美国铝价涨了两倍。在高额利润的刺激下，各国的铝产量都至少翻了一番，挪威的产能甚至增长到战前的8倍。在量的增长的同时，铝工业的工艺技术也大大提高。铝工业已经开始走进它的青年时期，即一战结束的1918年到二战的1945年这段时间。
由于战争结束，各种金属的生产量低于战前水平，唯有铝仍有所增长。这是因为在高压输电线和发动机上的铝不断增加。仅1920年~1930年的10年间，美国生产了5000万个铝活塞；汽车壳体也开始用铝制造了；第一个全铝火车车厢问世；特别是铝合金使飞机制造业飞速发展。德国容克公司用铝板制造Ju52飞机的机身，并于1930年将该飞机用于莫斯科-伦敦航线上。1933年美国道格拉斯飞机公司用铝合金制造了划时代的DC1运输机及其系列产品DC2、DC3飞机和C47运输机（图2.1），可称现代飞机的鼻祖。其中1934年推出的DC2飞机，机身呈流线型，在现代航线上仍然可见。由于飞机性能不断提高，全天候洲际飞行正在出现。航空业的飞速发展反过来促进了铝工业的发展。
图2.1道格拉斯C-47型运输机在其他方面，铝导热性好、轻、耐腐蚀等优点也体现出来。人们用铝制造电冰箱、吸尘器和其他家用电气，又为铝工业形成了一个巨大的市场。铝的延展性极好，1kg铝可以轧出面积为41m2的铝箔，而1kg锡只能轧出15m2的锡箔。
高强度的铝合金也很快被用于制造装饰板、窗户和门框。
1936年美国铝业公司在庆祝电解炼铝50周年大会上罗列了铝的2000多种用途。
可以看出年轻的铝工业开始渗透到了国民经济的各个领域，给各行各业都带来了勃勃生机。经济危机和战争都阻挡不了它前进的步伐。铝的出现使人类的生产和生活都变了样。
二、铝合金的生产过程铝合金是由电解得到的原铝和回收铝精炼后，再向其中加入添加元素得到的。
其中电解原铝的过程是，首先用拜耳法从铝土矿中提炼氧化铝，再用埃鲁-霍尔法电解炼铝。
那么具体地，电解炼铝法究竟是怎么一回事呢？
电解是电化学的一种应用。至少在大学化学课程中，我们都学到过一类化学反应类型叫做氧化还原反应。在氧化还原反应中，还原剂被氧化，提供电子，氧化剂得到这些电子被还原。一个氧化还原反应都是两个半反应——还原剂的氧化反应和氧化剂的还原反应耦合而成的。
如果采用特殊的装置，控制这两个半反应分别在两个导电的材料（称为电极）上发生，再将电极用导线连通，同时，还要提供一个可以使离子在其中迁移的导体，称为离子导体。这样就构成了一个回路，就能利用氧化还原反应提供电流，驱动负载工作。我们都知道，这中装置就是化学电源，也就是大家通称的电池。从能量转换或做功的观点来看，电池的工作过程就是把氧化剂和还原剂蕴涵的化学能转化为电能，输出电功的过程。
如果反过来，把负载换成一个强大的电源，把它的正负极与电池的同极性的电极连接，强制电池反向工作，我们都知道这个过程实际就是给电池充电。电池充电的过程就是把外部电源提供的电能转化为化学能的过程。
电解，以及在后面的内容中要介绍的电镀，都是类似的过程。
所谓电解，就是用电能驱动电解池工作，使电解质在电解池的阴极或阳极上发生氧化还原反应而析出产物的过程。这些产物都是对我们有用的产品。如电解氯化钠水溶液，可以在阳极上得到氯气，阴极上析出氢气。同时因为析出氢气，使水分解出氢氧根离子，与钠离子形成苛性钠水溶液，又可以分离出氢氧化钠。这些都是重要的化工原料。再比如电解水，可以得到氢气和氧气，把消耗的电能转化为氢和氧的化学能。氢气又可以作为还原剂，驱动燃料电池工作，重新释放出电能。
电解法炼铝的原理也是一样。只不过电解铝采用的是一种特殊的电解质，不是水溶液。在水溶液中电解是不能得到铝的。是采用电解熔融的氧化铝的方法。氧化铝（三氧化二铝）是离子化合物，通常状态下是固体，而离子在固体中是不能轻易移动的，只有将它加热到熔点以上，熔化成液态，离子才能够在电场的驱动下在阴极和阳极间迁移，形成离子导体。但是氧化铝的熔点非常高，在将它加热到熔化之前，绝大多数用来制造电解槽的结构材料，如钢铁等都先熔化了。所以要将它溶解在一种合适的溶剂中，形成一种特殊的溶液。使用的溶剂就是冰晶石，六氟合铝酸钠。这样就可以将电解铝的工作温度降低到1000℃以下（一般是950~970℃）。
三、铝合金的特点铝合金作为航空器结构材料的最突出的特点是：密度小、延展性好、耐腐蚀、易加工、价格低。
铝合金的密度为小2.7g/cm3，远小于铁合金或铜合金。
铝虽然是一种非常活泼的化学元素（其电位序仅排在钾钙钠镁之后的第五位），但正由于它非常活泼，在空气中极易发生氧化，而生成的氧化无以一薄层非常致密的、化学性质稳定的钝态膜的形式存在，能有效地隔绝侵蚀性介质。所以铝合金的耐腐蚀性很好。
正因为铝合金具有这些特点，所以在当前在役的民用飞机中，铝合金在总结构用量上占70~80%的比例。尽管先进复合材料和钛合金在新型号飞机上应用比例日益提高，但铝合金由于成本和工艺上的优势，在可预见的将来，仍是航空器，特别是民用飞机的主要结构材料之一。
四、铝合金分类铝合金按零件的制造方法可分为：
变形铝合金：具有较好的塑性，可使用锻造、冲压等塑性变形加工工艺成形的铝合金；
铸造铝合金：仅适合采用铸造工艺成形，或铸造性能相对变形加工性能更为突出的铝合金；
粉末冶金合金：使用粉末冶金技术成形的铝合金。
按能否通过热处理强化分为：
可热处理强化铝合金；
不可热处理强化铝合金。
五、铝的合金化纯铝的强度很低，不适合作为结构材料使用。所以必须通过添加合金元素将铝制成合金。主要的起强化作用添加元素有：Cu、Zn、Mg、Si和Li等。
这些合金元素的强化机理不尽相同，具体地有两种强化机理：
固溶强化：常温下在铝中溶解度大的元素（溶质），以固溶体形式存在于铝合金中。溶质原子使铝晶格发生畸变，提高合金强度；
沉淀强化：高温下溶解度大、常温下溶解度小的元素，在常温下形成各种沉淀相，使合金强化。铝合金的热处理强化实际上就是利用了沉淀强化原理。可沉淀强化是热处理强化铝合金的重要特点。
除这些强化元素外，铝合金中有时还包含其他一些元素：
Cr、Mn、Ti、Zr等过渡元素在铝合金中的溶解度小，没有多少强化作用。但可以与Al形成金属间化合物，对控制晶粒结构作用很大；
Fe、K、Na等元素属于应控制含量的杂质，这些元素的存在会极大地损害铝合金的断裂韧性。
六、铝合金的沉淀强化原理和时效处理工艺这里以Al-Cu（4%）二元合金为例介绍铝合金的沉淀强化原理（图2.2）。
图2.2 Al-Cu二元合金相图在高温时Cu在Al中溶解度大，常温时溶解度小。对于含Cu为4%的Al-Cu二元合金，500℃时，Cu可全部溶于Al中形成α固溶体。
冷却到常温后，绝大多数Cu以GP区或θ相的形式析出。GP区或θ相会阻碍形变过程中的位错移动，提高了硬度和强度。
应用沉淀强化原理，可以对铝合金进行时效处理，以改善铝合金的力学性能和抗腐蚀性能。
所谓时效处理是指，把铝合金在一定温度下保持一段时间，加速合金元素从固溶体中沉淀析出的处理工艺。
时效处理过程中，铝合金的硬度（强度）会随时效时间变化。描述这种变化规律的曲线称为时效曲线（图2.3）。
图2.3 Al-4%Cu合金的时效曲线从图中可以看到，时效温度、时间铝合金的时效硬化效果有很大影响。随时效时间，硬度并不是始终增大的，而是存在一个峰值。把硬度达到时效曲线上峰值的时效状态称为峰时效。相应地，在峰时效之前停止保温，得到的时效状态成为欠时效，在峰时效之后停止保温，得到的是过时效状态的铝合金。
尽管过时效相对于峰时效在硬度和强度上有损失，但由于沉淀相的过量析出，特别是在合金组织的晶粒内部也析出了沉淀相，减小了晶粒内部与晶粒边界（晶界）的电化学性质的差异，可以减少晶间腐蚀，以及沿晶间发生的应力腐蚀断裂的可能性，提高铝合金的耐腐蚀能力。
时效处理是控制性能的重要手段。同一种成分的铝合金，采用不同的热处理时效，可以得到差异很大的性能；一种新的时效制度的研究成功，就相当于开发出一种新的铝合金。
七、铝合金的标记由于制造飞机结构的铝合金主要是变形铝合金，而铸造铝合金应用较少。所以在此仅介绍前者的标记。铝合金的标记分为型号标记和状态代号标记铝合金的型号：采用4位数字标记法。第1位表示属于哪种主要合金系；第2位表示合金的改型；第3、4位表示合金的编号（表2.1）。
表2.1国际变形铝合金标记法合金系
四位数字标记
合金系
四位数字标记
>99.00%铝
1xxx
铝镁硅
6xxx
铝铜
2xxx
铝锌
7xxx
铝锰
3xxx
其他
8xxx
铝硅
4xxx
备用
9xxx
铝镁
5xxx
铝合金的状态以TX、TXX、TXXX等代号标记（表2.2）。
表2.2 铝合金的状态代号代号
名称
状态代号
热处理状态
F
自由加工状态
T3
固溶、冷作、自然时效
O
退火状态
T4
固溶、自然时效
H
加工硬化状态
T6
固溶、人工时效
W
固溶热处理状态
T7
固溶、过时效
T
热处理状态
T8
固溶、冷作、人工时效
状态代号
说明与应用
T73
固溶及时效达到规定的力学性能和抗应力腐蚀性能
T74
与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73，小于T76
T76
与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73、T74，抗应力腐蚀性能低于T73、T74，但其抗剥落腐蚀性能仍较好
八、铝合金在飞机上的应用变形铝合金在飞机上的应用主要为2系Al-Cu合金和7系Al-Zn合金。
2系铝合金的代表型号是2024，名义成分为Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn（重量百分比）。该合金在飞机结构上应用广泛。其特点为：强度中等，可热处理强化，T3状态下断裂韧性高；耐蚀性不好，易发生晶间腐蚀，薄板需包覆工业纯铝以提高耐蚀性，或在T8状态下使用。另外2524作为2系合金的较新改型，已经应用于B777客机。
7系合金的代表型号是7075，名义成分为Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.26Cr（重量百分比）。该型号合金的特点为：T6态强度最高，但抗蚀性差、断裂韧性不好；T73态耐蚀性好，但强度相比T6态下降约15%。
7055是7系中合金化程度最高、强度最高的型号。7055-T77已经用于B777主结构。
另外表2.3中详细列举了2系和7系合金在飞机结构中的应用情况。
表2.3 2系和7系铝合金在飞机结构中的应用应用部位
应用的铝合金
机身蒙皮
2024-T3,7075-T6,7475-T6
机身桁条
7075-T6,7075-T73,7475-T76,7150-T77
机身框架/隔框
2024-T3,7075-T6,7050-T6
机翼上部蒙皮
7075-T6,7150-T6,7055-T77
机翼下部蒙皮
2024-T3,7475-T73
机翼下部桁条
2024-T3,7075-T6,224-T39
机翼下壁板
2024-T3,7075-T6,7175-T73
翼肋和翼梁
2024-T3,7010-T76,7150-T77
尾翼
2024-T3,7075-T6,7050-T76
九、铝合金的新发展——铝锂合金其实所谓铝锂合金是指含锂（Li）元素的铝合金，其中Li并不一定作为最主要的添加元素存在于合金当中，比如2系含Li铝合金，其主要添加元素是Cu而非Li。以Li为主要添加元素的合金一般归入8系——其他合金系中。
Li是密度最低的金属元素，其比重仅为0.53，而且在添加Li的铝合金中，Li在时效处理时能以δ’相的形式析出，起到沉淀强化作用。所以，含Li铝合金具有密度低、强度高、模量大等优势。但因价格较贵，目前在飞机结构，特别是在民用飞机结构中用量还不大。但随着新型合金性能的改进、制造工艺的发展，含Li合金在飞机上铝合金中的比例将会得到提高。
西方国家和俄罗斯（前苏联）曾开发了众多的含Li铝合金。西方铝锂合金的型号主要有：2系的2020、2090、2091、2095、2195和2197等，和8系的8090。前苏联在50~60年代开发了1420合金，具有焊接性好的优点，但强度较低，后来在1420中加入Sc（钪），开发了1421合金，其强度明显提高。含Li铝合金目前在俄罗斯的航空工业应用非常广泛。
2.2 钛合金一、纯钛的性质钛（Ti）的蕴藏量仅次于铝、铁、镁，居金属元素中的第四位。
钛的熔点高，为1667℃，比铁的熔点还要高。
钛的密度4.5g/cm3，比铁和铜都轻得多。
纯钛随温度变化存在固态同素异构转变（固态相变），即在882.5℃这个温度上，会发生晶格结构的转变：
低于882.5℃时钛为密排六方晶格，称为α-Ti；
高于882.5℃为钛为体心立方晶格，称为β-Ti。
这种固态相变使钛合金可以具有α、β或α+β双相混合显微组织，使得钛合金可以通过热处理在较大范围内控制显微组织，从而控制合金性能。
二、钛及钛合金的主要特性钛合金相对于铝合金等其他结构材料，具有以下突出的优点：
比强度高工业纯钛强度为350~700Mpa，钛合金强度可达1200MPa，和调质结构钢相近，而钛合金的密度比钢低得多，所以具有高的比强度。
热强度高钛的熔点高，再结晶温度也高，因而钛及其合金具有较高的热强度。目前钛合金使用温度可达到500℃，并向600℃发展。
抗蚀性高钛表面能形成一层致密、稳定的，由氧化物和氮化物组成的保护膜，具有很好的抗蚀性能。钛及其合金在潮湿大气、海水、氧化性酸（硝酸、铬酸等）和大多数有机酸中，抗蚀性与不锈钢相当，甚至超过了不锈钢。
同时，钛合金的缺点也是十分突出的：
切削加工性差钛的导热性差（仅为铁的1/5，铝的1/3），摩擦系数大，切削时容易升温，也容易粘刀，导致切削速度低，降低刀具寿命，影响零件表面光洁度。
热加工工艺性差在加热到600℃以上时，钛及钛合金极易吸收氢、氮、氧等气体而使其性能变脆，使得铸造、锻压、焊接和热处理等工艺都存在一定的困难。钛合金的热加工工艺过程只能在真空或保护气氛中进行，这提高了钛合金件的制造成本。
冷加工性差钛及其合金的σ0.2/σb比值较高，表明应力接近断裂强度时才发生塑性变形，因此塑性变形困难，也容易导致开裂。
硬度低、抗磨性差钛合金一般不宜用来制造要求耐磨性高的零件。
三、钛的合金化钛是将氧化钛与氯气反应得到氯化钛后，再用金属Mg作还原剂还原得到的。初生态的钛因大量吸收空气中的氧和氮，是海绵状的，必须经真空二次熔炼后才能得到密实的金属组织。
由于钛的化学性质非常活泼，二次熔炼得到的工业纯钛中仍残存了大量的氧，所以实际使用的工业纯钛实际上是Ti与O元素构成的低合金。工业纯钛的力学性能与低碳钢相似，具有较高的强度，可直接用于航空产品，常用来制造使用温度在350℃以下的飞机构件，如超音速飞机的蒙皮、构架等。
除工业纯钛外，还可加入其他元素形成具有不同结构和不同性能的钛合金以满足不同工业部门和具体应用的需要。
钛合金的组织，取决于加入的合金元素是稳定α相（即使钛合金的常温组织主要包含α相）的，还是稳定β相（即使钛合金的常温组织主要包含β相）的。
键合电子数/原子<4的合金元素能够稳定α相，如Al和O。所以工业纯钛的常温组织为α相；
键合电子数/原子>4的合金元素能够稳定β相，如Mo、V和W等；
键合电子数/原子=4的合金元素的作用为中性，如Zr、Sn和Si等。
通过控制添加元素的种类和相对含量，即可控制钛合金的常温组织，进而得到性能特点相差很大的钛合金。
按常温组织的不同，钛合金可分为三种：
α型钛合金组织为α固溶体，牌号以TA加序号表示。主要合金元素是Al，还有中性元素Sn和Zr，均产生固溶强化作用，间隙元素O、N起间隙强化作用。合金组织稳定，耐热性高于其他钛合金，但不能进行热处理强化，室温强度不高，压力加工性较差，多采用热压加工成形。
β型钛合金组织主要为β固溶体，合金元素含量较高，牌号以TB加序号表示。性能优点是室温强度高，压力加工性能较好，成形容易，可通过热处理强化。缺点是密度较大，冶炼工艺复杂，热稳定性差，所以应用较少。
（α+β）型钛合金含有α稳定元素和4%~6%的β稳定元素，组织为（α+β）两相固溶体，牌号以TC加序号表示。该类型钛合金兼有α型及β型钛合金的优点。力学性能方面，既有较高的室温性能，又有好的高温强度，塑性也较好，应用最广泛。既可以在退火状态下使用，又可以在淬火、时效状态下使用。其中典型型号为TC4合金（Ti-6Al-4V），它具有综合的机械性能，组织稳定性高，典型拉伸强度为900MPa，最高工作温度为400℃。在航空航天、造船工业中应用广泛。
这三种钛合金及其典型牌号的性能特点见图2.4。
图2.4 钛合金的性能特点
四、钛合金在航空航天中的应用
1950年，美国首次在F84战斗轰炸机上采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩等非承力构件。
1954年，α+β型钛合金Ti-6Al-4V用于制造J57涡轮喷气发动机压气机转子盘和叶片。
60年代中期，美国研制成功“全钛飞机”SR71（图2.5），是钛合金制造工艺技术发展的一次重大突破，试制成功了钛合金隔框和起落架梁等大型复杂锻件，用钛量达到飞机结构重量的93%。
图2.5 美国SR71高空高速战略侦察机
70年代，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加。在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%，在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%。
民用飞机方面，Ti-6Al-4V合金制造的波音747主起落架支承梁模锻件，每件长6096mm，宽914mm，重1724kg，至今仍是世界上最大的钛合金模锻件。
80年代，出现了断裂韧性更高的超低间隙元素级的新型合金，超塑成形和扩散连接工艺。钛合金在B1B超音速轰炸机和航天飞机上得到了更广泛的应用。一架B1B飞机需要90余吨钛材。美国的航天飞机上采用了Ti-6Al-4V合金制造的重达3000kg的传力结构件。
现有航空航天用钛合金中，应用最广泛的是多用途α+β型Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4Zr-2Mo（Ti6242）高温钛合金。Ti-6Al-4V合金用于制造工作温度不超过400℃的各种飞机结构和发动机零件，Ti6242合金用于制造工作温度在500℃以下的高压压气机零部件。Ti-6Al-4V合金具有优良的综合性能，用量达到各种钛合金总用量的一半以上。
美国F22战斗机中钛合金用量已超过了铝合金，达到整机结构重量的41%。B777飞机中钛合金的用量已达到7%。
未来航空航天飞行器及其推力系统，需要不断提高钛合金的工作温度，增大航空发动机的推重比。普通钛合金的最高工作温度是600℃，进一步提高工作温度受到蠕变强度和抗氧化能力的限制。80年代发展的钛铝化合物基的高温钛合金，具有高温性能好，抗氧化能力强，耐腐蚀和重量轻的优点，是制造压气机和低压涡轮零部件的理想材料。其中Ti3Al为基的高温钛合金，最高工作温度可达815℃；TiAl为基的高温钛合金，最高工作温度可达1040℃。
2.3 镁合金一、纯镁的性能镁（Mg）的密度低，仅为1.74g/cm3，约相当于铝的2/3，是最轻的结构金属。
镁的电极电位很低，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁的化学活性强，在空气中也容易氧化，形成的氧化膜疏松多孔，无明显保护作用，所以镁的抗蚀性很差。用镁制造结构件时，需针对使用环境采取适当的防护措施。
力学性能方面，镁的强度低，且由于组织为密排六方晶格，滑移系少，导致塑性极低，加工成形困难，所以镁很少用作主要结构材料。
二、镁的合金化镁经过合金化及热处理后，强度可以达到300~350Mpa。
主要合金元素是铝、锌和锰。这些元素在镁中都有溶解度变化，可以利用热处理方法（淬火加时效）来强化。
加入镁合金中的铝、锌，当含量不超过溶解度时起固溶强化作用。超过溶解度后分别与镁形成金属间化合物Mg17Al12和MgZn，在淬火、时效时能起到沉淀强化作用。
加入锰可以改善抗热性及抗蚀性。
加入锆（Zr）可以使镁合金的晶粒细化。
三、镁合金的分类与编号按加工工艺可分为变形镁合金与铸造镁合金：
变形镁合金牌号以“MB”加数字表示，如MB1、MB2等；
铸造镁合金以牌号“ZM”加数字表示，如ZM1、ZM2等。
四、镁合金的性能特点比强度高镁合金强度虽然比铝合金低，但由于密度小，所以比强度高于铝合金。
减振性好镁合金弹性模量小，受外力作用时弹性变形功较大，即吸收能量较多，所以能承受较大的冲击振动载荷。
切削加工性能好可以采用高速切削，也易于进行研磨和抛光。
抗蚀性差使用时要采取防护措施，如氧化处理、涂漆等。镁合金零件与其他高电位材料的零件（如钢、铜零件）组装时，在接触面上应采取绝缘措施，以防止产生电化学腐蚀。
五、镁合金航空工业中的应用变形镁合金航空工业上应用较多的为MB15，属Mg-Zn-Zr系合金。它的性能特点是强度高：是常用变形镁合金中抗拉强度和屈服强度最高的；可以热处理强化：Zn在Mg中的溶解度随温度的变化大，时效处理时能形成强化相MgZn。
铸造镁合金
ZM1（Mg-Zn-Zr）和ZM2（Mg-RE-Zn-Zr）属于高强度铸造镁合金，具有较高的常温强度和良好的铸造性能，但耐热性差，长期工作温度不能超过150℃。
ZM3（Mg-Ce-Zn-Zr）属于耐热铸造镁合金，常温强度较低，耐热性好，可以在200~250℃长期工作。
航空工业上应用较多的是ZM5合金，属Mg-Al系。Al含量较高，能形成较多的Mg17Al12强化相，可以采用热处理强化。
应当说明的是，由于镁合金耐蚀性差，零件需要进行专门的表面防护处理，所以使用受到一定的限制。而且随着先进复合材料的发展，与之相比镁合金在比强度方面并无优势，所以在新型飞机上应用镁合金已经很少了。
第三章 铁合金
3.1 铁碳合金一、纯铁的性质铁（Fe），原子序数26，是一种重要的过渡金属元素。
纯铁是光亮的银白色金属，密度7.86g/cm3，熔点1535℃，沸点2750℃。
纯铁的抗蚀力相当强。但通常的铁都含有碳和其它元素，因而抗蚀力也减弱。含有杂质的铁在潮湿空气中容易生锈。
铁有延展性和导热性。也能导电。但导电性比铜、铝都差。
铁能被磁体吸引，在磁场作用下，铁自身也能产生磁性。
冷的浓硝酸或冷的浓硫酸能使铁钝化。但铁能溶于稀酸。加热时能同卤素、硫、磷、硅、碳等非金属反应，但同氮不能直接化合。氮化铁须在氨气中加热生成。
重要矿石有赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（Fe2O3·nH2O）、磁铁矿（Fe3O4）和菱铁矿（FeCO3）等。
纯铁可由氢气还原纯氧化铁而得，还原铁粉可用于粉末冶金。
二、炼铁与炼钢炼铁炼铁是将铁矿砂在熔炉（高炉）中提炼成铁的过程。
炼铁时，自高炉上方将铁矿砂、焦炭、石灰石等交互投入，热风炉加热过的空气由高炉下部风口吹入，炉内焦炭燃烧生成1500℃高温，产生一氧化碳（CO）炉气自炉中上升，一氧化碳把铁矿砂还原；铁水自炉下方出口流出，暂贮并运到炼钢工场，浇铸成铁锭（图3.1）。
图3.1 高炉构造及炼铁时的炉内反应
A.炉喉；B.炉身；C.炉腰；D.炉腹；E.炉缸
1.大料钟；2.小料钟；3.煤气导出管；4.料车；5.斜桥；6.热风围管；7.风口；8.出铁口；9.出渣口炼钢由于生铁中含碳量很高，炼钢时需要根据要求把生铁中的含碳量去除到规定范围（降碳），并使其它元素的含量减少或增加到规定范围（去硫磷、调硅锰含量）。
炼钢基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧（如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧）来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。
炼钢常用平炉、转炉和电炉。图3.2是现代平炉炼钢过程的示意图。
图3.2 平炉结构图由铁的冶炼过程可知，实际应用钢铁都含有碳，所以它们都是铁碳合金。
实际使用的钢铁材料，含碳量都不超过5%，因为含碳量超过5%的铁碳合金，性能太脆，没有实用价值。
三、铁-碳合金的基本相和基本组织与钛相似，纯铁也存在固态相变——同素异构转变。纯铁在从熔点到常温的冷却过程中经历如下晶体结构的变化：
δFe（体心立方）→ γFe（面心立方）→ αFe（体心立方）
在铁碳合金中碳的不同存在方式会形成不同的相：
C溶于不同的Fe晶格中形成固溶体：
溶于δFe中形成δ相固溶体，只在高温下存在，实际意义不大；
溶于γFe中形成γ相固溶体，最大溶碳量为2.11%；
溶于αFe中形成α相固溶体，溶碳量很少。
不能溶于固溶体的碳以铁-碳化合物的形式存在：
常用铁合金中的铁-碳化合物是渗碳体：Fe3C。
所以，铁碳合金的常温组织是由γ相固溶体、α相固溶体和渗碳体（Fe3C）三种相构成的。
这些基本相以不同的比例和形式构成不同的基本组织：
铁素体（F）组织由α相固溶体构成的单相组织。其机械性能与纯铁很接近，强度、硬度低而塑性、韧性好。
奥氏体（A）组织由γ相固溶体构成的单相组织。属于高温组织。塑性好，但强度不高。对铁合金进行锻造等压力加工时经常需要将其加热，转化为单一奥氏体组织，以获得较好的塑性，减小变形抗力，改善工艺性能。
渗碳体（Fe3C）组织由Fe3C这种金属间化合物构成的单相组织。Fe3C具有复杂的结构，机械性能特点是硬而脆。包含较多渗碳体组织的铁合金通常具有较高的强度和硬度。
珠光体（P）
由α相固溶体与渗碳体通过机械混合形成的双相组织。珠光体具有铁素体与渗碳体的综合机械性能，即硬度和强度较高，同时具有一定的塑性和韧性。
莱氏体（Le）
由γ相固溶体与渗碳体形成的共晶体，仅存在于铸铁中。
化学成分不同、热处理工艺不同的铁-碳合金的组织构成有很大区别，进而导致机械性能区别十分显著。
四、铁碳合金的状态图状态图是描述铁-碳合金在平衡状态下，组织随温度和成分的变化的图形。
图3.3 铁碳合金状态图铁碳合金的状态图中按含碳量的大小可分为三个部分：最左端，含碳量<0.02%的是工业纯铁；含碳量在0.02~2.11%的是碳钢；含碳量>2.11%的是铸铁。
其中碳钢还可分为：
共析钢：wC=0.77%，常温组织为珠光体；
亚共析钢：wC在0.02%~0.77%之间，常温组织为铁素体+珠光体；
过共析钢：wC在0.77%~2.11%之间，常温组织为珠光体+渗碳体。
铸铁可分为：
共晶白口铁：wC=4.3%；
亚共晶白口铁：wC在2.11%~4.3%之间；
过共晶白口铁：wC在4.3%~6.69%之间。
五、杂质元素对钢性能的影响硅与锰这两种元素是在炼钢时加入硅铁和锰铁脱氧而残留在钢中的。作为杂质存在时，硅的含量约为0.17~0.37%；锰的含量约为0.5~0.8%，超过以上含量时，就作为有意加入的合金元素了。
硅和锰都能有限溶解于铁素体中，起固溶强化作用，使钢的硬度、强度增加。
硫与磷硫是在炼钢时无法除尽的有害杂质。
硫与铁可以形成FeS化合物，通常分布在晶界上，与铁形成低熔点共晶体（985℃）。钢在锻造或轧制时要加热到1200℃，这时晶界上的低熔点共晶体会发生熔化，导致钢材在热压加工过程中发生开裂。这种高温开裂成为“热脆性”。因此钢中的含硫量要严格控制。普通钢中的含硫量不能超过0.055%。
锰与硫的亲和力比铁与硫的亲和力大。钢中含有硫时，硫先与锰形成MnS化合物。MnS熔点高（1600℃），在高温下还有一定塑性，可以消除钢的热脆性。
磷也是无法除尽的有害杂质。磷可以溶于铁素体中，使钢的强度和硬度增加，但剧烈地降低钢的塑性和韧性。特别在低温时，由于磷的作用，使钢的性能变脆，这种现象叫做钢的“冷脆性”。磷在钢中的含量也要严格控制，普通钢中的磷含量不超过0.055%。
六、碳钢的分类按用途分：
碳素结构钢：主要用于制造受力的工程构件（船舶、桥梁、建筑构建等）和机械零件（齿轮、螺钉、轴、连杆等）；
碳素工具钢：主要用于制造硬度高的刃具、量具和模具等。
按含碳量分：
低碳钢：wC<=0.25%；
中碳钢：wC在0.25~0.6%之间；
高碳钢：wC>=0.6%。
按钢的质量分：
普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢
七、钢的热处理状态图中的组织都是平衡状态下的组织，往往不能满足机械零件在使用过程的要求。为了满足工业应用对于零件的各种性能要求，采取的主要措施之一，就是对金属材料进行热处理。
热处理：在固态下，将金属或合金以一定的加热速度，加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的冷却速度进行冷却的工艺方法。
加热是热处理的第一步，目的是为了获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，为冷却转变做好准备。
冷却时，依冷却速度不同，可分为不同的热处理工艺，冷却后得到的常温组织和钢的性能也不同。
退火缓慢冷却（一般为随炉冷却），得到珠光体型组织的热处理工艺。由于组织在加热和冷却时重新发生转变，退火可以得到如下目的：
改善钢的组织，得到细小的晶粒；
降低硬度，提高塑性，改善冷压和切削等工艺性；
改善组织，消除应力。
正火空冷，冷却速度稍快。正火组织比退火组织具有较高的强度和硬度。正火的主要作用是：
均匀、细化组织；
可以消除某些异常组织，如过共析钢中的网状渗碳体、亚共析钢铸件中的针状铁素体；
改善低碳钢的切削加工性；
对于一般的结构零件，可以作为最终热处理，得到一定强度与较好韧性相结合的机械性能。
淬火和回火高温奥氏体化后，以很快的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体（过饱和固溶体），提高了硬度和耐磨性。回火是将淬火后的钢加热到临界温度下某一温度，保温后以一定冷却速度（空冷或更快的冷却速度）冷却到室温的工艺操作。回火是淬火后必不可少的后继工序。通过回火，可以：
获得所需要的机械性能；
稳定组织，稳定尺寸；
消除淬火应力。
改变热处理中的工艺参数，可以使合金获得不同的组织和性能，以满足生产要求。
金属或合金经过热处理，可以挖掘材料潜力，提高产品质量，延长使用寿命。
有些零件表面要求高的硬度和耐磨性，心部要求一定的强度和韧性，可通过表面热处理获得这种综合性能。常用的表面热处理工艺是表面淬火。
表面淬火是将零件的表面迅速加热到临界温度以上，转变成奥氏体，随即进行淬火冷却，使表面组织成为马氏体，再进行低温回火，保持高硬度、高耐磨性；而心部仍保持原始组织和原有性能。
最常用的表面淬火方法是高频感应加热淬火。
除采用表面淬火外，还可进行化学热处理，即将工件在特定的介质中加热到一定温度并保温，使表面化学成分发生变化，从而改变金属表面组织与性能。通过化学热处理可提高表面硬度、耐磨性、抗疲劳性能，还可以提高耐蚀性和耐热性。
最常用的是渗碳、渗氮和碳氮共渗等。此外，按渗入元素不同，还有渗铝、渗铬、渗硼和渗硅等等。
3.2 合金钢碳钢虽然价格便宜，也有一定机械性能，但综合机械性能不高，淬透性很小，不具备某些特殊性能（抗蚀、耐热等）。
航空产品当中的钢多为合金钢。
合金钢，是为了获得所需要的组织和性能而加入合金元素的钢。
对钢进行合金化的目的是为了提高机械性能、提高淬透性，使钢获得某些特殊性能（耐蚀、耐高温等）。
一、铁的合金化加入的合金元素与碳类似，可以溶于铁素体，或溶于渗碳体，或者与碳形成碳化物。
按能否与碳形成碳化物，可将合金元素分为：
非碳化物形成元素只溶于铁素体，不形成碳化物。镍、硅、铝、钴、铜等。起固溶强化作用。合金铁素体的硬度随合金元素含量增加而增高。合金元素过多，会导致铁素体韧性下降。
碳化物形成元素能形成碳化物，也能溶于铁素体。锰、铬、钨、钼、钒、钛、铌等，合金碳化物的硬度高，提高耐磨性；加热时合金碳化物不熔于奥氏体，阻止奥氏体晶粒长大，使奥氏体保持细小的晶粒。
二、合金钢的分类和编号按用途分：
结构钢：制造零件；
工具钢；
特殊钢：制造有特殊要求的零件，不锈钢，耐热钢。
按化学成分分：
低合金钢：合金元素总含量小于5%；
中合金钢：合金元素总含量在5%~10%之间；
高合金钢：合金元素总含量大于10%。
合金钢的编号以含碳量+合金元素及其含量表示：
钢号前2位数字表示平均含碳量（单位为0.01%）；
所含合金元素用化学符号或汉字表示，其后的数字为合金元素的平均含量（单位为1%）；
当合金元素含量低于1.5%，或含量小于1%但作用较大时，元素符号后的数字略去；
元素平均含量大于等于1.5%但小于2%时，则标2，依此类推；
高级优质钢，钢号末加“A”。
如30CrMnSiNi2A表示：平均含碳量0.3%，Cr、Mn、Si含量均小于1.5%，Ni的含量大于1.5%，是高级优质结构钢。
三、合金结构钢渗碳钢性能要求：
航空产品中一些齿轮，活塞销和凸轮等，在工作中受很大的交变应力和冲击负荷，同时还承受强烈的磨损。零件不但有较高的强度、韧性和疲劳强度，表面必须具有高的硬度和耐磨性。选用合金钢进行渗碳，再经适当的热处理，可以满足这些要求。
成分特点：
为使心部具有较高的韧性，应具有较低的含碳量，一般在0.15~0.25%之间。加入铬、镍、锰、硼等元素强化合金，提高淬透性，使大尺寸的零件中心具有满意的机械性能。加入钨、钼、钒、钛等元素，细化晶粒，提高韧性和强度。
渗碳处理后，表面的合金元素可以形成合金渗碳体或合金碳化物，从而提高耐磨性。
热处理特点：
渗碳后，最终热处理是淬火和低温回火，在零件表面得到高碳回火马氏体加细小的碳化物，具有很高的硬度。
调质钢性能要求：
飞机发动机，或机身结构一些重要的结构件，如起落架、涡轮轴和油泵的转动轴等，工作时受到很大应力，往往受强烈震动等交变载荷，零件形状又很复杂，容易造成应力集中。因此，在具有高强度的同时，还应具有良好的韧性和塑性。
成分特点：
含碳量中等，一般在0.25~0.5%之间。
加入铬、镍、锰、硅等强化铁素体并提高淬透性；钨、钼、铬、硅可明显提高回火抗力；钒、钛可细化晶粒，增加强韧性。
热处理特点：
淬火+高温回火，调质处理，使钢具有最佳的综合性能。
弹簧钢性能要求：
必须具有高的弹性极限，以便能承受较大载荷，而不产生塑性变形；弹簧所受载荷一般是交变的，破坏的主因是疲劳，所以弹簧钢必须具有较高的疲劳强度。所以弹簧钢的屈服强度和抗拉强度都应较高。
成分特点：
含碳量一般在0.5~0.85%之间。含碳量过低，达不到高的屈服强度要求，含碳量过高不仅屈服强度不高，脆性太大。
加入的合金元素有硅、锰、铬等，少量的钒可以细化晶粒。
热处理特点：
冷拉硬化+绕制后去应力退火：直径小于7mm的弹簧，一般用冷拉弹簧钢丝绕制而成。
淬火加中温回火：直径较大或厚度较大的弹簧。
成分特点：
含碳量中等，并含铬、锰、硅、镍、钼、钒等合金元素。
热处理特点：
淬火+低温回火，获得马氏体强化，达到超高强度。
制造使用中应注意的问题：
缺口应力集中敏感，容易导致裂纹萌生并迅速扩展造成脆断。制造装配中应避免敲打和表面划伤；避免在酸性介质中表面处理，防止氢脆。
常用的超高强度钢有30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoV等。
四、不锈钢在解释不锈钢之所以具有很强的抗腐蚀能力前，先介绍一下金属的腐蚀及抗腐蚀途径。具体有：
获得单相组织：单相组织中不存在相间电化学性质差异较大的问题，不容易形成腐蚀微电池，所以耐蚀性好；
提高基体电位：如果合金组织为多相构成，一般地，沉淀相的电位都高于基体。在腐蚀微电池中，电位低的基体就会发生阳极溶解——即被腐蚀。如果能够提高基体电位，就能减小沉淀相与基体的电位差——即腐蚀电池的电动势，就可改善合金的耐蚀性能；
获得钝化膜：有意在钢中加入某些元素，能在钢表面形成薄而致密的钝化膜，起到隔绝电解质的作用，也可达到提高抗蚀能力的目的。
不锈钢是合金钢中的一种。不锈钢中都添加了含量很高的铬（Cr）。铬在不锈钢中的作用如下：
铬溶于钢的基体，溶解量超过一定值时，可以显著提高基体电位；
铬还可以在钢表面形成结构致密的氧化铬钝化膜，提高钢材的抗蚀性。
除含铬量高之外，不锈钢的另一个成分特点是含碳量低，一般情况下，含碳量在0.1~0.4%之间。因为如果含碳量高，会生成过多的碳化铬（Cr23C6），这些碳化物与基体之间构成的微电池增多。而且碳化铬析出会使溶解在基体中的铬量下降，使不锈钢抗蚀能力下降。因此，增高含碳量来提高硬度和耐磨性的情况下，要相应增加铬含量。
常用的不锈钢有马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢两种。
马氏体不锈钢航空工业中常用的马氏体不锈钢有Cr13型和Cr18型。除耐蚀性好之外，还可通过淬火形成马氏体组织，用于要求一定强度、硬度和韧性相配合的耐蚀结构件，如轴、齿轮和螺栓等；用于350℃以下工作的不锈弹性零件以及用于高硬度和高耐磨性的零件，如轴、轴承和不锈工具等。
奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢中由于添加了镍（Ni）元素，可使奥氏体组织在常温下稳定存在。
由于奥氏体不锈钢是单相奥氏体组织，因此奥氏体不锈钢具有比马氏体不锈钢更高的抗蚀性、更好的塑性、加工成形性和焊接性，而且具有更高的使用温度，但力学性能不及马氏体不锈钢。
奥氏体不锈钢在600℃左右工作（或焊接时焊接区在超过一定温度下加热），在奥氏体晶界出会析出碳化物Cr23C6，消耗附近基体中的含铬量，造成晶界附近的贫铬区，这一现象称作“敏化”。当晶界贫铬区的铬含量低于11%时，电位明显下降，容易发生腐蚀，造成晶间腐蚀。
可采取一些措施可防止奥氏体不锈钢发生“敏化”和晶间腐蚀。如降低含碳量，减少形成铬的碳化物的趋势；或加入强碳化物形成元素钛、铌（这些元素在应用于奥氏体不锈钢，防止敏化时称为稳定化元素），使碳优先与之形成碳化物，避免形成铬的碳化物。
第四章 高温合金
4.1高温材料概述一、航空发动机对高温材料的使用要求在涡轮喷气发动机内部，温度、压力分布是变化的（图4.1）。压气机部件工作温度较低，称为发动机的冷端，多用高温钛合金制造；涡轮部件所受温度最高，与燃烧室、喷口组成发动机的热端，用高温合金制造。
图4.1 涡轮喷气发动机的结构和沿轴线的压力与温度分布航空发动机部件的工作环境对材料提出了苛刻的使用要求。
首先是高温。航空喷气发动机从压气机到尾喷管，各零部件在一定温度下工作，有些零件要在800℃以上的条件下长期工作。
其次是高应力。一些高温部件，由于震动、气流的冲刷，特别是旋转造成的离心作用，将承受较大的应力。如涡轮叶片的应力可达300~409Mpa。
再次是氧化和腐蚀等化学作用。燃气中存在大量的氧、水气，并存在SO2、H2S等腐蚀性气体，都对高温零件起氧化和腐蚀作用。
而且，随着航空燃气涡轮发动机的发展，推重比的增加，发动机部件的工作环境日益苛刻。以涡轮进口温度为例，现役机种为1600K左右，在研机种达到1850~1950K，预研机种将高达2250~2350K。发展更高推重比的燃气涡轮发动机，首要任务是研制使用性能优异的高温材料。
航空发动机对高温材料的基本要求主要是：
较高的热稳定性，即高温下的抗腐蚀（主要是抗氧化）能力；
高的热强度；
良好的工艺性能。
二、金属材料的热强度及其指标蠕变强度金属材料在一定温度和应力作用下，会逐渐地产生塑性变形，这种现象称为蠕变。温度越高、应力越大、时间越长，蠕变就越严重。
蠕变强度，是指在一定温度下，使金属引起一定变形速度的应力。如表示在700℃，经过100小时，使金属发生0.2%变形量的应力为290Mpa。
蠕变强度反映了金属在高温和应力作用下，抵抗缓慢塑性变形的能力。
持久强度持久强度，是指金属在一定温度下，一定时间内发生断裂时的应力。如表示在800℃，经过100小时，使金属发生断裂的应力为340Mpa。
持久强度反映了金属在高温和应力下抵抗断裂的能力。
三、提高合金耐热性的途径用熔点较高的金属作为高温合金的基体因为熔点高的金属，原子之间结合力大，高温下不容易发生塑性变形，所以抗蠕变能力强。
熔点较高的金属有镍、钴、铁、钛、铌、钼、钨等。
钛的化学活性大，容易吸收气体而污染，仅用于制造发动机的冷端部件。
铌、钼、钨在高温下氧化太快。
钨的比重很大。
因此耐热合金主要是以铁、钴、镍为基的合金。
目前，铁基合金很少使用，钴基合金基本绝迹，绝大多数高温合金是镍基合金。
对基体金属进行合金化通过合金化可以强化基体，如通过固溶强化或沉淀强化等。
合金化可提高再结晶温度，提高蠕变强度。
某些元素有强化晶界的作用，可提高合金材料的晶间结合力。
改善铸造组织如采用定向铸造或单晶铸造制造涡轮叶片。
热处理采用适当的热处理可提高材料的强度，或改善断裂韧性。
4.2 高温合金的发展
20世纪30年代后期，英、德、美等国开始研究高温合金。
40年代，英国在镍中加入碳、钛和铝等制成了第一种镍基高温合金——Nimonic 80，并在此基础上发展了Nimonic系统。
40年代至50年代，美国发展了Inconel、Waspaloy、Udimet等系统。
70年代至80年代，铸造高温合金逐渐超过变形高温合金，在美国出现了Mar-M和IN系统。
中国从1956年开始试制高温合金，目前已有GH系变形高温合金和K系铸造高温合金。
20世纪90年代初，粉末高温合金制的压气机盘和涡轮盘投入使用，成为继变形和高温合金之后又一类高温合金。
4.3变形高温合金镍基变形高温合金通常含有十几种元素，成份非常复杂。合金元素分别通过固溶强化、第二相强化和晶界强化等手段来提高热强性和热稳定性。
加入铬、钴、钨、钼等高熔点元素形成固溶体，起固溶强化作用。
加入钛、铝、铌、钽、铪、钒、碳等元素形成金属间化合物和碳化物（第二相），起第二相强化作用。
这些强化相中，最重要的是γ’相——由三个镍原子与一个铝、钛、铌原子组成的金属间化合物：如Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Nb等。某些热强性最高的镍基高温合金中γ’相的含量可达60%~70%。γ’相可阻碍高温下的塑性形变，提高热强性。
加入硼、锆、镁、铈等元素以强化晶界。
20世纪60年代后，变形高温合金的成份基本固定下来，无法用添加更多高熔点合金元素的方法来改进高温合金的强度性能。主要的研究集中在提高原材料的纯度和改进熔炼工艺方面，以消除有害气体杂质。
变形高温合金用于制造燃烧室、尾喷口和部分涡轮盘、高压压气机盘等重要零件。特别是某些薄壁结构，如燃烧室和尾喷口，用变形合金板材制造。
但是在燃气涡轮发动机的两个最重要的位置——涡轮导向叶片和工作叶片上，变形高温合金已被铸造高温合金代替；在涡轮盘上开始让位于粉末高温合金。
4.4 铸造高温合金一、铸造高温合金的发展
20世纪60年代，变形高温合金中的铝、钛及其他高熔点元素铬、钼、钨的含量不断提高，合金的热强度不断提高。但恰恰是高的热强度，使塑性变形加工过程的阻力严重增大，难以进行锻造、轧制等热加工，或者在加工过程中沿较脆弱的界面出现裂纹。变形高温合金已无法继续容纳更多的高熔点元素。
而如果采用铸造的方式制备高温部件，那么合金中就可以熔入更多的固溶强化元素和第二相强化元素。所以铸造高温合金的工作温度达到1000℃左右，超过变形高温合金50~100℃。
而且，通过精密铸造工艺可以制成空心或多孔型叶片，通过对流和气膜冷却，可进一步提高叶片的工作温度。
铸造高温合金从60年代至90年代经历了等轴晶、定向柱晶到单晶的三个发展阶段。
（a）等轴晶 （b）柱状晶 （c）单晶图4.2 三种铸造工艺得到的叶片外形和组织结构的对比
二、铸造高温合金的组织普通铸造在一般条件下铸造零件时，熔融的合金在铸型中逐渐冷却，一开始就由多个晶核产生多个晶粒，随着温度降低，晶粒不断长大，最后充满整个零件。由于合金冷却时散热的方向未加控制，晶粒的长大也是任意的，所以得到的晶粒形状近似球形，称为等轴晶（图4.2a）。
晶粒之间的界面叫晶界。晶界上往往存在许多杂质和缺陷，因而晶界往往是最薄弱的易破坏区域。虽然采用细晶铸造工艺能在一定程度上改善铸造高温合金的持久强度和疲劳性能，但是无论如何净化晶界或提高晶界强度，始终不能改比那晶界仍作为最薄弱环节的事实。
定向铸造普通铸造获得的是大量等轴晶。等轴晶的长度和宽度大致相等，纵向晶界和横向晶界的数量也大致相同。横向晶界比纵向晶界更容易断裂。
定向柱晶铸造工艺的目的就是形成并列的柱状晶，消除横向晶界（图4.2b）。使涡轮叶片工作时最大的离心力与柱晶之间的纵向晶界平行，减少了晶界断裂的可能性。
定向铸造是控制铸型中的散热方向和冷却速度，使熔融金属由叶片的一端向另一端逐渐凝固，由于开始时有若干晶核同时生成，所以沿叶片的纵向形成排列整齐的几条柱晶。
定向柱晶组织更耐高温腐蚀，可使工作温度提高约50℃，还使疲劳寿命提高10倍以上。
空心定向凝固叶片，是先同时铸造两个半片，铸出内部复杂的冷却通道，铸造好半片后用扩散连接法焊接到一起，形成完整的叶片（图4.3）。空心叶片可以利用气流进行冷却，工作温度又可以提高100℃，寿命延长2倍左右。
图4.3用定向铸造技术生产空心叶片单晶铸造单晶铸造获得的涡轮叶片整个叶片只有一个晶粒，完全消除了晶界的有害作用（图4.2c）。
单晶铸造过程的特点是，控制熔融金属在铸型内的散热条件，只允许一个优选的柱晶长大。
单晶铸造工艺广泛使用引晶法（图4.4）：熔融金属注入铸型后，与底部激冷板接触的合金首先凝固，形成许多细小的晶粒。继续注入熔融金属，使这些小晶粒沿螺旋选晶器向上生长，大部分晶粒受到阻碍，只有一个晶粒能通过选晶器的狭小通道，继续生长，最后充满整个型腔。控制散热凝固是在铸型向下缓慢移动过程中实现的。
图4.4 引晶法生产单晶叶片过程示意图
4.5 粉末高温合金铸造高温合金可以熔入大量的高熔点元素，如钼、钨、铊等。但这些元素密度较高，容易形成偏析，影响合金性能的稳定。
而粉末高温合金可以避免元素偏析的缺点。因为用快速凝固法制出的超细粉末，直径只有10~100微米甚至更小。每一个粉末颗粒就是一个铸件，因此整体高温合金成分均匀，无宏观偏析，合金化程度可超过铸造合金。
粉末高温合金的原始合金大多是原有型号变形高温合金经成分调节制得，经过各种制粉方法得到微粉末并放入包套中，再经过热加工制成燃气涡轮部件。粉末冶金技术适合压气机盘和涡轮盘的生产。
20世纪60年代，美国开始IN100粉末高温合金涡轮盘的生产。70年代开始推广粉末高温合金涡轮盘，如PWA2039、PWA4089、CFM-56-5C2、GE-90等燃气涡轮发动机等。
20世纪80年代以来，出现了将定向凝固叶片或单晶叶片同粉末高温合金涡轮盘结合成整体的工艺。将叶片在粉末盘的成型过程中嵌合，得到整体带叶片盘，疲劳强度可以提高近一倍。
第五章 高分子材料与陶瓷材料
5.1 高分子材料高分子材料来源丰富，生产成本低廉。在生产以及日常生活中已经成为不可缺少的一类材料。
按照用途可以将高分子材料分为塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等。
高分子材料又称为高聚物。
一、高分子材料的基本概念高分子化合物是分子量特别大的一类化合物。
一个高分子化合物种可能包含成千上万个原子。高分子化合物的分子量可以高达几万、几十万甚至上百万。
原子之间以共价键连接起来。
自然界中存在的纤维素、淀粉、蛋白质和天然橡胶都是由高分子化合物组成的。人工合成的各种塑料、橡胶和纤维也是由高分子化合物组成的。
高分子化合物的分子量虽然很大，但其化学成分组成一般都比较简单。
组成高分子的元素主要是碳、氢、氧、氮和硅等少数几种元素。
整个高分子只不过是许多简单的结构单元重复连接起来的长链。
合成高分子所用的小分子原料称为单体，在高分子中称重复结构单元，又叫链节。
高分子中包含的重复结构单元的数目称为聚合度。聚合度越大，高分子的分子量越大。
高分子材料由大量的大分子链聚集而成。合成时大分子链长短不一，其数量呈统计规律分布。高分子材料的分子量是大量分子链分子量的平均值。以各级分子量取平均值得到的平均分子量叫做重均分子量。
二、高分子材料的人工合成高分子材料可使用小分子单体通过加聚反应或缩聚反应制备得到。
加聚反应含有双键的低分子化合物（单体）在光、热或引发剂的引发下使双键打开，由共价键互相连接而形成大分子链的反应。
由一种单体加聚而成的聚合物叫均聚物，如乙烯聚合得到聚乙烯。
如果聚合物链由两种或两种以上的单体聚合而成，则称为共聚物，如ABS树脂是由丙烯腈（Acrylonitrile）、1,3-丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene）三种单体聚合得到的。
加聚反应得到的高分子其分子量等于单体分子量的加和。
缩聚反应由两种或两种以上具有官能团（决定分子化学性质的特殊原子团）的低分子化合物（单体），通过官能团的相互缩合作用，逐步合成为一种大分子链，同时析出一个小分子副产物（如水、氨或醇）等的反应。
缩聚反应中，得到的高分子产物叫缩聚物。
由于缩聚反应中生成低分子副产物，缩聚高分子的组成不可能与原料单体的组成完全相同，缩聚高分子的分子量也不可能是单体分子量加和。但是在缩聚高分子链中仍保留着原料单体的结构特征。
三、高分子化合物的基本性质质轻：高分子化合物都具有较小的密度，如各种塑料的相对密度大致为0.9~2.2。
比强度高：高分子材料在不少场合已逐步取代金属材料的位置，如已有“全塑汽车”问世。
弹性：高分子材料都具有弹性。广泛使用橡胶制造轮胎、减震密封垫片即是利用其高的弹性。
可塑性：在常温，或加热到一定温度下，高分子材料在压力作用下都可发生塑性变形，易于加工成形。
耐磨性：由于高分子材料具有弹性，用高分子材料制成摩擦副在相对运动时不易咬合。而且聚四氟乙烯等高分子材料还有自润滑性，所以高分子材料一般耐磨损。
绝缘：高分子材料是电和热的绝缘体。
耐腐蚀：高分子材料不会发生电化学腐蚀。但高分子的老化可认为是一种广义的腐蚀破坏。
四、高分子材料的力学状态高分子材料随温度变化，可呈现不同的力学状态，对高分子材料的加工成形和使用都具有重要意义。
在恒定载荷作用下，线型无定型高聚物在不同温度范围存在三种状态：
玻璃态温度较低时，高聚物呈刚性固体状，在外力作用下只发生很小的且可恢复的形变。
一般以塑料形式使用的状态是高分子材料的玻璃态。所有室温下处于玻璃态的高聚物都叫塑料。
高弹态在超过玻璃化转变温度Tg后，高聚物会变成柔软的弹性体。在载荷的作用下，形变明显增加。去掉外力后，形变可回复，但需要时间。
高弹态又称橡胶态，是橡胶的使用状态，所有室温下处于高弹态的高分子材料都叫橡胶。
粘流态温度高于软化温度Tf时，高聚物处于粘性流体状态，可以流动。
粘流态是高聚物流变加工成形的工艺状态。
五、高分子材料的应力-应变行为室温下高分子材料有四种典型的应力-应变行为：
刚而脆：弹性模量大，但强度低，断裂时形变小，呈现脆断特征。如聚苯乙烯塑料。
刚而强：弹性模量大，且强度高，断裂时形变小，呈现脆断特征。如有机玻璃、硬聚氯乙烯等。
软而韧：弹性模量小，且强度低，断裂时形变大，具有一定的韧性。如聚酸脂和一部分结晶高聚物。
刚而韧：弹性模量大，且强度高，断裂时形变大，具有一定的韧性。如多数橡胶材料。
与金属材料相比，高聚物的弹性模量和强度要低得多，最大可能的断裂伸长率又比金属高得多（即高分子材料具有更强的塑性）：
高聚物的弹性模量范围为7~35GPa，金属材料的弹性模量范围为48~410Gpa。
高聚物的最大强度为240MPa，金属材料中某些合金的强度可高达4100Mpa。
高弹态高聚物的断裂伸长率可达到1000%，而一般金属塑性变形时最大的断裂伸长率不超过100%。
高聚物的应力-应变行为受温度影响很大。随温度升高，弹性模量和强度下降，断裂伸长率增加。如有机玻璃，在40oC时是典型的刚而脆的材料，而到660oC时，变成典型的刚而韧的材料。
六、常用高分子材料高聚物根据力学性能和使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类，但是各种高聚物之间并无严格的界限。同一种高聚物采用不同的合成方法和成形工艺，可以制成不同使用状态的产品。如尼龙，即可制成塑料，也可制成纤维。某些高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，很难明确归类为塑料或橡胶。如聚氨酯类高聚物。
塑料塑料工业已有100多年的历史，是高分子材料工业中生产最早、发展最快、产量最大、应用最广的一个行业。每隔五年，世界塑料产量就翻一番。
塑料是以树脂为基础，加入各种添加剂，在一定温度、压力下可塑制成形的材料。
树脂是塑料的基体，约占塑料质量的40%~100%，决定了塑料的主要性能。
添加剂是为改进塑料的使用性能和工艺性能而加入的其他成分。如增塑剂可提高塑料的柔软性和成形能力；填充剂可改善尺寸稳定性和减磨、耐磨、自润滑性；防老剂用于防止塑料在加工和使用过程中，因受热、光、氧等的影响而过早老化等。
按应用范围，可将塑料分为：通用塑料、工程塑料和耐高温塑料等。
按受热后的性能，可分为热塑性塑料和热固性塑料。
热塑性塑料由聚合树脂制成，仅加入少量稳定剂和润滑剂。具有加热软化，冷却变硬，可多次重复使用的特点可用注射、挤出、吹塑等工艺成形。
热固性塑料以缩聚树脂为基础，加入固化剂，在一定条件下发生化学反应，固化为不熔的坚硬制品。可用模压、层压、浇铸等工艺成形。
橡胶橡胶是具有高弹态的轻度交联的线型高聚物，在-40oC~80oC范围内处于高弹态，在较小的负荷作用下可发生大的变形，除去负荷后又能很快恢复原来的形状。
橡胶的强度和弹性模量比塑料低，但伸长率比塑料大得多，表现为弹性材料。
橡胶具有优良的伸缩性、良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，被广泛用于制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。
橡胶制品是在生胶中加入各种配合剂，经过硫化处理所得到的产品。加入的配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂等。
橡胶有天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶又分为通用合成橡胶（轮胎、运输带、胶管、垫片、密封装置等）和特种合成橡胶（高温、低温、酸、碱、油和辐射介质等条件的橡胶制品）。
合成纤维合成纤维是化学纤维中的一类，化学纤维可分为人造纤维和合成纤维。
人造纤维是以天然高分子纤维素或蛋白质为原料，经过化学改性而制成的，如粘胶纤维（人造棉）、醋酸纤维（人造丝）、再生蛋白质纤维等。
合成纤维是由合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得纤维。最早的合成纤维是美国杜邦公司于1938年发明的尼龙。自尼龙的问世之日起，合成纤维工业发展速度很快，产量直线上升，品种也越来越多。合成纤维具有强度高、耐磨、保暖、不霉烂的优点。除广泛用作衣料等生活用品外，在工农业、国防也有重要应用。
最重要的六大合成纤维是：
聚酯纤维：涤纶（的确良）
聚酰胺纤维：锦纶（人造毛）、尼龙、芳纶聚丙烯腈纤维：腈纶聚乙烯醇缩醛纤维：维纶聚烯烃：氯纶含氯纤维：氟纶胶粘剂粘合是指两种相同或不同材料的表面通过各种界面力而结合在一起。这种界面力是通过胶粘剂，也就是各种聚合的单体通过聚合反应而实现的。
与铆接、焊接相比，在飞机上使用胶接结构，具有抗疲劳、结构重量轻、气动外形好、可降低成本、可连接不同的材料和级薄的材料等优点。
胶粘剂由基料、固化剂、填料、溶剂或稀释剂、增塑剂与增韧剂、偶联剂、稳定剂、性能改良剂、防霉剂等组成。
涂料涂料可以保护飞机结构材料不受环境侵蚀，保持材料和结构的强度；不同色泽的涂料可起到装饰、伪装和标志作用；涂漆后可使飞机表面平整光顺，改善气动性能。
涂料的基本原料为油脂、天然树脂、合成树脂、颜料、填料、溶剂、助剂。
树脂在涂料中起到形成漆膜的作用，称为成膜物质。
涂料按成膜物质分为：
醇酸树脂涂料丙烯酸树脂涂料聚氨酯树脂涂料聚丙烯树脂涂料环氧树脂涂料双组分涂料目前民用飞机的外表面涂料主要是聚氨酯树脂涂料和环氧树脂涂料。
5.2 陶瓷材料一、陶瓷材料的含义以往，陶瓷材料指硅酸盐材料和氧化物材料，主要用于日用器皿和建筑材料。
现在，陶瓷材料则泛指无机非金属材料、非金属磁性材料以及电绝缘、耐高温、耐腐蚀、耐磨的金属与非金属的化合物材料。
陶瓷材料可用作结构材料和特种用途材料，已与金属材料和高分子材料一起成为构成工程材料的三大支柱。
二、陶瓷材料的性能与应用陶瓷材料的原子之间大都以共价键和离子键结合，且键合能量高，所以陶瓷材料通常具有熔点高、硬度高、化学和热的稳定性好的特点。
陶瓷最大的缺点是塑性差，多数陶瓷材料在常温下没有塑性。陶瓷的应力-应变曲线上通常只出现弹性变形，断裂呈现脆性断裂的特征。
陶瓷材料还具有绝缘、绝热的性质。
高温高强度陶瓷可用于喷气发动机和燃气轮机的高温零件，如涡轮叶片等。
超硬陶瓷主要用于制造刀具、刃具和模具。
工程结构陶瓷在航空领域的应用如：
发动机的涡轮叶片（SiC、Si3N4）和燃烧室（Si3N4）
雷达天线保护罩（Al2O3、ZrO2）
陀螺仪轴承（Al2O3）
红外线探测窗口（MgO、Y2O3）
第六章 复合材料
6.1 引言复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。
构成复合材料的相，一般分为粘结材料（基体）与增强材料（颗粒、纤维和片状材料等）。
通过选择不同的增强材料和基体材料进行合理的性能设计，再采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合，可使得到的新材料具有高于原先单一材料的性能，或单一材料不具备的性质和性能，如优异的力学性能、物理-化学多功能或生物效应等。
复合材料已经成为现代航空航天不可缺少的结构材料和功能材料。
现代复合材料具有高的比刚度和比强度，成为现代飞行器首选的结构材料之一。
现代复合材料具有可设计性，可以实现结构承载与功能一体化的优点，出现了很多功能-结构复合材料，如飞机隐身材料、导弹多功能防热材料和全复合材料固体火箭发动机结构等。
现代复合材料有不同的分类方式，详见下表：
表6.1 聚合物基复合材料的分类
其中聚合物基复合材料的基体又有树脂基体和橡胶弹性基体两种。
树脂基体处于玻璃态，具有高的模量、强度和尺寸稳定性，可作为承力结构材料。由于目前复合材料的优势在于用作结构材料，因此树脂基复合材料更为重要。
树脂基复合材料由树脂基体和增强纤维构成。
其中纤维是主要的承载体，是决定复合材料力学性能（如模量和强度）的主要因素。
树脂基体起形成复合材料形状、支撑和保护纤维、传递载荷的作用。
当复合材料受力时，树脂基体所受的应力通过界面传递给纤维。需要纤维和树脂形成足够强的界面粘结。如果界面粘结较弱，界面将在低应力下断裂，无法有效传递应力，不能充分发挥纤维的增强作用。因此，选择高性能的增强纤维和与之匹配的高性能树脂基体，形成好的界面结构与性能，才能获得最佳的复合效应。
6.2 先进聚合物基复合材料的特点一、比强度高、比模量高纤维/聚合物复合材料最突出的优点是比强度和比模量高于其他结构材料。
高模量碳纤维复合材料的密度约1.6 g/cm3，只有钢的1/5、铝的3/5。其比强度为钢的5倍、铝合金的4倍、钛合金的3.5倍以上。其比模量是钢、铝、钛的4倍甚至更高。
二、耐疲劳性能好大多数金属材料的疲劳极限强度是其拉伸强度的30%~50%，而碳纤维/树脂基复合材料的疲劳极限强度可达到其拉伸强度的70%~80%。
金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆性的破坏。而复合材料中纤维与基体界面可以阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到界面上，破坏前有明显的预兆。
三、减震性能好受力结构的自振频率除与结构形状有关外，还与结构材料比模量的平方根成正比。
由于复合材料的比模量高，因此，其结构件具有高的自振频率。
同时，复合材料中的聚合物基体和界面，尤其是高韧性的树脂和橡胶基体，具有显著的震动阻尼特性。
高的自振频率和阻尼决定了复合材料有很强的吸振能力。
对相同形状和尺寸的梁进行振动试验表明，轻合金梁需9s才能停止振动，而碳纤维复合材料梁只需2.5s就停止了同样大小的震动。
四、具有多种功能性选择适当的基体和纤维，可使复合材料具有某种或多种功能性。例如选择具有高比热、熔融热和汽化热的聚合物基体（如酚醛树脂）制成的复合材料，在很高的温度下可以吸收大量的热能。这种具有防热功能的复合材料可作为航天飞行器的烧烛防热材料。
五、各向异性及性能可设计性纤维复合材料的性能除了与纤维、树脂的种类及体积含量有关之外，还与纤维的排列方向、铺层次序和层数密度以及编织、针织方式等有关。
因此可根据结构件的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料铺层设计和各种编织方式来满足预定的要求，实现构件的优化设计。
六、材料与结构的同一性与一般工程材料不同，复合材料制造与制品成形是同时进行的。可实现复合材料制品的一次成形，适合于大面积、结构形状复杂的构件的精确整体成形，有利于提高生产效率和制品的质量。
七、热膨胀系数小在冷热交变时，复合材料结构尺寸稳定性好。
6.3 聚合物基复合材料的缺点和问题一、耐湿热性较差大多数聚合物基复合材料最高工作温度为230oC以下。例如广泛使用的环氧树脂基复合材料，在干态的工作温度约为180oC，但在湿态，工作温度降至120oC。
二、材料性能的分散性较大复合材料的性能与原材料的选择，制造过程中所发生的一系列复杂的化学反应和物理变化以及生产条件、厂房环境等有关。复合材料制造的全过程都必须严格控制和检验，以保证制品质量的稳定性。
三、价格过高与其他工程材料相比，复合材料过高的价格阻碍了它的应用，尤其是在民品中大量应用。
6.4 先进聚合物基复合材料在航空工业的应用先进聚合物基复合材料从50年代末即用于航空航天部门，并在70年代后期迅速发展成为继铝、钢和钛之后的又一类结构材料。
复合材料在飞行器的用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要标志之一。
复合材料在飞机结构中已大量采用。现代战斗机中，复合材料结构的应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等等。F22战斗机树脂基复合材料的用量为24%。
民用飞机方面，早期应用部位以次结构（如整流罩、固定翼和尾翼口盖壁板、发动机罩）以及飞机控制面（如副翼、升降舵、方向舵和扰流片）为主。在主结构方面，目前主要是高强中模碳纤维/高性能增韧树脂基复合材料应用于尾翼、机身等部件上。
表6.2 Airbus和Boeing飞机中复合材料的应用
当前波音和空客最新型号的干线飞机，在主承力结构上也大量使用了先进复合材料（图6.1、6.2）。
图6.1 未涂装的B-787下线
图6.2 B-787的复合材料机身结构复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大。不仅机身结构，而且由桨叶和桨榖组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。
6.5 复合材料的增强材料增强纤维在复合材料中的体积比可以达到60%以上。为保证复合材料的低密度，要应用轻质高模高强纤维。
由于材料的理论密度是其组分原子的原子序数和晶体结构等参数的函数，因而轻质纤维通常由低原子序数的元素或其基团组成，其中包括碳（C）、氮（N）、氧（O）、硼（B）和硅（Si）。
B纤维已研制成功，但由于价格高应用受限制。
现在树脂基复合材料中应用的纤维主要是玻璃纤维、碳纤维和有机纤维。
一、玻璃纤维玻璃纤维由二氧化硅和铝、钙、硼等元素的氧化物以及少量的加工助剂氧化钠和氧化钾等原料经熔炼成玻璃球，然后在坩埚内将玻璃球熔融拉丝而成。
从坩埚中拉出的每一根线称为单丝，一个坩埚拉出的所有单丝，经浸润槽后，集合成一根原纱（又称丝束）。
原纱是构成商品纤维和织物的最基本单位。
玻璃纤维的特点是：
强度高：拉伸强度远远超出各类钢材的强度（1010~1815MPa）。
热性能好：与碳纤维和有机纤维相比，玻璃纤维有优良的氧化稳定性。但其强度随温度升高而降低，玻璃纤维在400oC经24h后，强度下降一半。由于玻璃纤维熔融温度高达1200oC，所以它具有短期耐高温性。
透波性：玻璃纤维可以透过电磁波，玻璃纤维增强的树脂基复合材料可以用于制造雷达罩。
缺点：模量低和密度大，其比模量远低于碳纤维和芳纶纤维。因此，在飞行器结构复合材料中，玻璃纤维应用相对要少。
二、碳纤维碳纤维是一种含碳量在90%以上不完全石墨结晶化的纤维状碳素材料，它既具有一般碳素材料低密度、耐高温、耐腐蚀、导电、导热等特点，又具备向异性、轴向拉伸强度和模量高、成丝状柔软可制造加工的特点。
对碳纤维在2500oC以上高温处理可得到碳含量在99%以上的、原子排列三维有序结构的石墨纤维。石墨纤维具有更高的弹性模量。
碳纤维的制造方法有两大类：有机纤维法和气相生长法。
应用于聚合物基复合材料的碳纤维以有机纤维法制造的为主。即通过有机聚合物纤维进行高温碳化制得。
碳纤维的性能：
比模量和比强度高：其拉伸强度一般大于5000MPa，拉伸模量为330~310GPa。碳纤维的相对密度约为1.8左右。
热性能：在惰性气氛中，即使温度超过2000oC，碳纤维仍具有承载能力，最高工作温度大于2500oC，远高于已知的其他纤维。
导电性：碳纤维可导电，且电动势为正值，当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生电化学腐蚀，应采取措施予以避免。
碳纤维可吸收电磁波，可制得具有吸波功能的复合材料。
三、有机纤维目前用于制造先进聚合物基复合材料的有机纤维主要是芳酰胺纤维（芳纶纤维）。其中又以聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维为典型代表。
美国杜邦公司生产的PPTA纤维，注册商标为Kevlar系列。
PPTA纤维具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、吸能性和减震性好、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸稳定等优异的力学和动态性能；以及良好的耐化学腐蚀性、高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔等突出的热性能以及优良的介电性能。
四、增强织物目前除连续纤维及短切纤维直接用作增强材料外，为了克服上述复合材料横向性能差、层间剪切强度低和不耐冲击等弱点，在先进聚合物基复合材料制造中大量采用二维和三维结构的织造物作为增强材料。
6.6 复合材料聚合物基体材料原则上，所有聚合物都可作为复合材料的基体材料。
但对航空航天用的先进复合材料而言，选用的聚合物基体都应该是高性能的：即除了具有良好的工艺性能之外，还应具有优良的力学性能（强度、模量和韧性）和环境稳定性（其中最重要的是湿热稳定性）。
此外，在许多情况下，还要求聚合物基体具有某种功能性。
树脂基体按其在成形中的行为可分为热固性树脂和热塑性树脂。
热固性树脂含有多个官能团的小分子化合物（预聚体），具有可溶解和可熔化的性质。将其加热至某一温度范围时，树脂熔融流动，官能团发生聚合反应成为大分子，而被固化成形。
在固化过程中，树脂分子链上的官能团发生反应，从而使分子链扩链、支化（分子质量增加）和交联，最终形成交联（体形）结构的大分子。
热塑性树脂在用于复合材料结构成形之前已经是一种高分子量的聚合物，具有高的熔点和熔融粘度，将它加热到熔点以上而流动塑化，冷却后重新固化，使复合材料最终成形。
也就是说，在成形过程中，热塑性树脂基本上不发生化学反应，只发生物理状态的转变。这一点与热固性树脂不同。
两类树脂基体材料的特点分别是：
热固性树脂：优点是易于浸渍纤维以制造预浸科，固化温度和固化压力较低；复合材料具有高的强度、模量和尺寸稳定性及高的耐热性。主要缺点是材料不能反复成形、成形周期长、材料的脆性大及很难回收再利用。
热塑性树脂：优点是复合材料的韧性高，挥发份、可凝物少，材料可反复成形；制造工艺周期短和容易回收再利用。但热塑性树脂存在预浸料制造困难、成形温度很高、成形压力大的缺点。
热固性树脂基体研究较早，性能数据积累较完整，制造工艺较为成熟，是目前应用最为广泛的树脂基体。其主要品种有环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂等。
环氧树脂环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物。环氧基是活泼的基团，可以位于环氧树脂分子链的末端、中间。环氧树脂通过其环氧基与多种固化剂发生交联反应而形成体形结构的高聚物。
环氧树脂是开发最早、应用最广的高性能树脂基体。它具有优良的工艺性和与增强纤维的粘结性，固化树脂具有高的强度和模量。且品种多、适应面广、价格低。环氧树脂基体主要由环氧树脂、固化剂以及其他改性剂组成。
双马来酰亚胺树脂双马来酰亚胺树脂是以BMI（图6.3）单体为基础经各种改性而成的一类树脂。
图6.3 BMI树脂
BMI树脂脆性大、单体熔点高，不适合直接用作树脂，必须改性后才能使用。目前，商品化的改性树脂体系多达几十个。表6.3列举了几种BMI树脂基复合材料的性能及其在飞机结构中的应用情况。
表6.3几种BMI树脂基复合材料
酚醛树脂酚类和醛类的缩聚产物称酚醛树脂。其中以苯酚和甲醛合成的酚醛树脂（图6.4）最为普遍。
酚醛树脂原料易得，合成方便，价格低廉，固化产物具有较高的力学性能，耐热性和绝缘性好，耐蚀，广泛应用于制造增强塑料，特别是碳纤维增强复合材料。
图6.4 酚醛树脂
6.7 聚合物基复合材料制件的基本成形方法聚合物基复合材料的特点之一是其制件可以整体成形，而且复合材料的制造实际上是在其制品成形过程中完成的。
成形时可以来用不同形式的原材料或中间材料，如预浸料、预成形坯等，其中最常见的是纤维浸渍树脂（或聚合物）形成的预浸料。
复合材料的成型是树脂基体发生化学反应和物理变化的结果。热固性树脂基复合材料，其成型过程主要是树脂分子链增长和交联反应，最终形成纤维增强的体形高聚物（化学转变）。热塑性树脂基复合材料，在形成过程中，树脂主要发生热熔塑化和冷却硬化的相转变（物理转变）。
一、预浸料的制备预浸料是指将树脂浸渍到纤维或纤维织物中，并通过一定的处理制得的复合材料中间材料。
根据纤维的纺织形成，预浸料可分为单向预浸料和织物预浸料两大类。单向预浸料由单向纤维组成，织物预浸料由纤维织物组成。
根据树脂状态不同，预浸料的制备方法可分为：
溶液法将树脂组分溶于溶剂中配制成一定浓度的溶液（胶液），纤维从溶液槽中通过而浸上胶，然后烘干、收卷成预浸料。
热熔法将树脂加热到熔化温度，纤维从熔化的胶液槽中通过，浸胶得到预浸料。
二、树脂基复合材料的常用成形工艺方法热压罐成型飞机上应用的复合材料结构件通常用热压罐法来制造。
首先，把预浸料按纤维方向，以不同的角度在模具上铺层至规定的厚度，然后经覆盖薄膜、形成真空袋，再送入热压罐中加热、加压固化而得到成形的复合材料结构件（图6.5）。
图6.5 热压罐成形工艺示意图连续纤维缠绕成形缠绕成型是用专门的缠绕机，把浸渍过树脂的连续纤维或织物条带，按照预定的线型，有规律地在旋转芯模上进行缠绕铺层，然后固化和卸除芯模，获得制品（图6.6）。
图6.6 连续纤维缠绕成形工艺树脂传递模塑（RTM）成形
RTM成形的方法是，在模具的模腔内预先放置增强预成体材料，闭合模具后将树脂通过注射泵传输到模具中浸渍增强纤维，并加以固化，最后脱模制得成品（图6.7）。
图6.7 RTM成形工艺过程简图
