Правильный выбор материала элементов конструкции может существенно улучшить весовые и лётно-тактические характеристики самолёта, а также снизить материальные затраты на его производство и эксплуатацию.
Однако наибольшее внимание при выборе материала уделяется удовлетворению требования обеспечения необходимых прочности и жёсткости конструкции при наименьшей массе, обеспечению весовой выгодности или весовой эффективности материала.
В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы неконструкционного назначения, определяющими параметрами которых являются специфические физико-химические свойства. По своей природе А. м. подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные; по условиям эксплуатации — на жаропрочные, для работы при низких температураx, тепло-, износо-, коррозионно-, топливо-, масло-, огнестойкие и т. д. Отдельные классы А. м., в свою очередь, подразделяются на многочисленные группы: металлические А. м. — на металлические сплавы и покрытия металлов; неметаллические А. м. — на пластики конструкционного и радиотехнического назначения, волокнистые материалы, лакокрасочные материалы и эмали, клеи, смазочные материалы, оптические материалы, декоративные материалы, керамические и металлокерамические материалы, эластомерные материалы, рабочие жидкости бортовых систем, радиопрозрачные и радиопоглотающие материалы и др. Композиционные материалы по своей природе подразделяются на волокнистые, слоистые, порошковые и смешанного типа; по виду матрицы — на материалы с металлическими и неметаллическими матрицами и полиматричные материалы.
Уже за три столетия до создания первых летательных аппаратов тяжелее воздуха люди понимали, что необходимые для них материалы должны отвечать определенному требованию — сочетанию лёгкости и прочности. Однако разработкой таких материалов не занимались, и для постройки (1883) первого в России самолёта А. Ф. Можайский использовал обычные материалы: сталь, шёлк, льняной линь и т. п. Но в начале XX в., когда в России появились заводы для строительства самолётов, А. м. были выделены в отдельную группу материалов; начали публиковаться научные работы отечественных учёных в области А. м. Основными А. м. тогда были древесина (сосна, липа, тополь и другие), одной из важных характеристик которой считалась способность надёжно держать гвозди. Для обтяжки крыльев и поверхностей применялись ткани (перкаль, шёлк), прорезиненные или с водонепроницаемым покрытием, например лаками. Алюминий только осваивался промышленностью и применялся в виде отдельных отливок, листов и тянутого материала для капотов двигателей и обшивки гондол. Некоторые детали самолётов изготавливали из магналия (сплав 90—98% алюминия и магния).
Композиционные материалы
... определяет тепло-, влаго-, огне- и хим. стойкость. По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты. Композиционные материалы с металлической матрицей представляют собой металлический материал ... других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем ( ...
Но в силу исторически сложившихся традиций и реальных возможностей строительства самолётов основным конструкционным материалом в отечественном авиастроении оставалась древесина, которая широко использовалась вплоть до окончания Великой Отечественной войны. Материалы конструкции самолета с тех пор постоянно улучшались и совершенствовались.
1. Виды материалов
1.1 Металлические
Алюминиевые сплавы — сплав, основной массовой частью которого является алюминий. Самыми распространенными элементами в составе алюминиевых сплавов являются: медь, магний, марганец, кремний и цинк.
Магниевые — сплавы на основе магния. Наиболее прочные, в том числе и наиболее жаропрочные, М. с. разработаны на основе систем магний — металл с ограниченной растворимостью в твёрдом магнии.
Титановые — сплавы на основе титана. Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250 °С) до умеренно высоких (300— 600 °С) и отличная коррозионная стойкость.
1.2 Неметаллические
материал авиационный сплав бериллий
Композиционные материалы — это конструкционные материалы, состоящие из матрицы (основы) с распределённым в ней армирующим материалом. В качестве армирующего материала могут применяться волокна стекла, углерода, бора, органические волокна.
2. Свойства и характеристики
а. Алюминиевые сплавы- по содержанию в земной коре ( ~8 % ) является одним из самых распространенных металлов. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность ( 2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.
На современном этапе развития дозвуковой и сверхзвуковой авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении.
В авиации США широко применяются сплавы серии 2ххх, Зххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких рабочих температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости раз-рушения. Сплавы серии 7ххх — для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии Зххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло-и топливных системах.
В России при изготовлении авиационной техники успешно используются упрочняемые термической обработкой высокопрочные алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg-Cu и сплавы средней и повышенной прочности Al-Mg-Cu. Они являются конструкционным материалом для обшивки и внутреннего сплавного набора элементов планера самолета (фюзеляж, крыло, киль и др.).
Металлы и сплавы как основа современных конструкционных материалов
... промышленности на основе металлов и сплавов конструкционных изделий. Объектом курсовой работы являются металлы и сплавы. Предмет курсовой работы применение металлов и сплавов в конструкционных материалах. Цель работы выявить особенности использования металлов и их сплавов в производстве конструкционных ...
Сплав 1420, принадлежащий системе Al-Zn-Mg, используют при конструировании сварного фюзеляжа пассажирского самолета. При изготовлении гидросамолетов предусмотрено применение свариваемых коррозионностойких магнолиевых сплавов (AМг5, АМг6) и сплавов Al-Zn-Mg (1915, В92, 1420).
Термически упрочняемые алюминиевые сплавы имеют особое значение, потому что благодаря упрочнению достигаются прочностные параметры, которые практически сопоставимы с параметрами стали. Из алюминиевых сплавов изготавливают преимущественное количество деталей планера самолета, например лонжерон, шпангоут, стрингер, а также наружную обшивку.
б. Магниевые сплавы- в полтора раза легче алюминиевых, отлично обрабатываются резанием, могут свариваться, имеют хорошие литейные качества. Недостатки: малая коррозийная стойкость, недостаточная пластичность при нормальной температуре, низкая температура плавления (пожароопасность).
Сплав, получивший название «электрон», был первым в ряду магниевых сплавов, нашедших применение в самолетостроении и других областях техники. В 1932 г. промышленность стала выпускать полуфабрикаты из «электрона»: литье, листы, профили и трубы. Для применения «электрона» в конструкции самолета необходимо было отработать его клепку, сварку, выколотку и штамповку. В 1933 г. на одном из авиазаводов по инициативе его директора А. М. Беленковича в небольшой мастерской началась работа по освоению конструкций из «электрона». В это же время
в Московском Авиационном Институте конструкторская группа, состоящая преимущественно из студентов, завершала проект первого цельно-электронного самолета. Вся работа авиапредприятий и маевских конструкторов велась по принципу кооперации, закрепленному официальными договорами.
Авиационный завод отливал металл и прокатывал листовой и прутковый материалы. В августе 1933 г. «электронная» мастерская переведена в более удобное помещение при экспериментальном цехе. Появились медники, приобрели кое-какой инструмент; в основном же инструменты изготавливали своими силами. Был составлен план работы мастерской.
Первой изготовлена нервюра крыла для статических испытаний, затем шпангоут ¦1 и отсек лонжерона крыла. Медники освоили производство небольших деталей и узлов.
В первые месяцы брак при обжиме труб доходил до 80-90% и только после создания специальных приспособлений снизился до 70%. По нескольку раз приходилось переделывать детали, т.к. в местах деформаций возникали трещины. Технологами сделано множество приспособлений и устройств, обеспечивающих изготовление деталей без брака: гибочные машины, протяжки, трехвалки, специальные тиски с электроподогревом. Многие устройства выполнены на уровне изобретений — например, электрифицированные патроны для фасонного обжатия труб.
Вследствие малой пластичности нового сплава технология его обработки требовала разогрева металла до 280-290¦ С. Такую температуру необходимо было обеспечить и сохранять в процессе обработки детали. Кроме того, при сварке металла, горящего при нагреве, и его клепке брак не допускался, а готовые изделия требовали надежной защиты от коррозии.
Первое крупное изделие, выпущенное «электронной» мастерской, — монокок хвостовой части фюзеляжа, который при статических испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты. После удачных испытаний мнение об «электроне» у многих работников промышленности изменилось.
В июле — августе 1934 г. были изготовлены центральная часть фюзеляжа и крыло для статических испытаний, одновременно запущена в производство хвостовая часть фюзеляжа и крылья летного экземпляра.
После незначительных переделок в соответствии с протоколами статиспытаний (проводимых в ЦАГИ) в ноябре 1934 г. работа по изготовлению первого цельноэлектронного самолета была завершена. Технологию изготовления самолета разработали С. М. Петров, С. М. Воронов, Л. С. Золотухин, Я. Е. Афанасьев и другие. В работе над самолетом принимали участие М. М. Пашинин, Л. П. Курбала, Н. М. Суматохина, Ф. П. Курочкин и другие студенты и сотрудники.
Конструкторы назвали свой самолет «Серго Орджоникидзе». Он имел несколько обозначений: «ЭМАИ-1», «ЭМАИ-1-34», «Э-1».
в. Титановые сплавы- в металловедении классифицируются по конфигурации кристаллических решёток, от которой напрямую зависят те или иные свойства конечного материала. Определённые легирующие элементы стимулируют стабилизацию кристаллических решёток титанового сплава в форме гексаэдра (б-состояние) и в форме куба (в-состояние).
Поэтому специалисты различают три вида титановых сплавов б, в и смешанное — (б + в).
К титановым сплавам с кристаллической решёткой типа б относят соединения с использованием в качестве легирующих элементов алюминия, циркония и олова. Соединение титана с алюминием или оловом позволяет получать титановый пруток из жаропрочных сплавов, который применяются при изготовлении термостойких деталей, работающих в условиях повышенных температур на ответственных участках. Подобные сплавы сохраняют свою техническую и конструктивную прочность при температуре до 400 °С. Дополнительные основные свойства б-сплавов можно перечислить следующим списком:
- хорошая свариваемость;
- высокая жидкотекучесть;
- низкий предел застывания.
Последние два свойства позволяют активно использовать титановые б-сплавы в отливке деталей и заготовок фасонным методом.
Если в б-сплавах процентный состав легирующих элементов минимален, то подобные соединения называют техническим титаном. Технический титан хорошо поддаётся холодной штамповке и другим видам механической обработки.
Титановые сплавы второй категории, так называемые в-сплавы, отличаются следующими свойствами:
- более высокая пластичность;
- противостояние ползучести;
- способность к холодной механической обработке;
- возможность упрочнения различными методами.
Единственный недостаток титановых сплавов этой категории — это сравнительно низкий термальный предел рабочего режима — при температуре выше 300 °С металлы этой группы склоны к охрупчиванию.
И, наконец, двухфазные титановые сплавы (б + в) представлены самой широкой группой соединений титана, используемых в промышленном масштабе. Эти металлы вобрали в себя все ценные свойства двух вышеупомянутых вариантов, за исключением хорошей свариваемости — из-за особенностей структуры кристаллической решётки на сварных швах титановых сплавов (б + в) могут наблюдаться явления охрупчивания и растрескивания.
г. Композиционные материалы- С ростом спроса к новым моделям беспилотной техники растет потребность в создании новых материалов для ее изготовления. С 1960-х годов благодаря своим характеристикам композиционные материалы успешно внедряются в авиационную и космическую технику [1].
Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом композитные материалы позволяют эффективно использовать индивидуальные свойства составляющих композиции. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать композитные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости. Композиты обладают комплексом конструкционных и специальных свойств, практически недостижимых в традиционных материалах на металлической, полимерной, керамической, углеродной и других основах. Сравнительные свойства различных конструкционных материалов представлены в таблице1.
Таблица 1
Сравнительные свойства различных конструкционных материалов
|
Материал |
Плотность, с, кг/м3 |
Плотность, с, кг/м3 |
Модуль упругости, Е, ГПа |
|
|
Углепластик |
1500 |
1200 |
170 |
|
|
Боропластик |
2000 |
1200 |
270 |
|
|
Органопластик |
1300 |
2000 |
95 |
|
|
Стеклопластик |
2000 |
2000 |
70 |
|
|
Алюминиевые сплавы |
2700 |
600 |
70 |
|
|
Титановые сплавы |
4500 |
1100 |
110 |
|
|
Стали |
7800 |
2100 |
200 |
|
Расчетные данные, подтвержденные результатами экспериментальных исследований и летных испытаний, показывают, что использование композиционных материалов позволяет снизить вес планера летательного аппарата на 30-40% по сравнению с весом планера из традиционных металлических материалов. Все это обеспечивает получение резерва веса, который может быть использован для увеличения дальности полета или полезной нагрузки. Использование композиционных материалов в авиационной промышленности значительно снижает материалоемкость конструкций, увеличивает до 90% коэффициент использования материала, уменьшает количество оснастки и резко снижает трудоемкость изготовления конструкций за счет уменьшения в несколько раз количества входящих в них деталей.
Интегральные конструкции могут обеспечить существенное снижение массы с одновременным повышением жесткости, прочности и технологичности. При использовании композиционных материалов для подкрепления основных силовых элементов масса фюзеляжа может быть снижена на 20%, масса крыла — на 15-20%, масса оперения — на 10-15%.
Рисунок 1 — Интегральные конструкции, выполненные по различным технологиям [2]: а — упрочненные протягиванием композиционного материала; б — склеенные смолами; в — склеенные клеями. 1 — металлический профиль; 2 — обшивка; 3 — заполнитель из композиционного материала; 4 — стенка лонжерона; 5 — накладка; 6 — накладка силовая из композиционного материала
Основными признаками интегральной конструкции как сборочной единицы являются:
- интегральное (неразъемное) соединение ее в конструктивных элементов;
— блочная структура изготовления, предполагающая использование при формировании и полимеризации конструкций сопряженных с ней элементов расчлененной технологической оснастки (формирующих элементов и формообразующих), каждый из которых содержит заготовки элементов конструкции (блоки).
3. Разработка бериллиевых сплавов
Бериллий с точки зрения металлурга
Свойства бериллия чаще всего именуются «удивительными», «чудесными» и т.п. Отчасти это справедливо, причем главная «удивительность» заключается в сочетании противоположных, иногда, казалось бы, взаимоисключающих свойств. Бериллий обладает одновременно и легкостью, и прочностью, и теплостойкостью. Этот металл серебристо-серого цвета в полтора раза легче алюминия и в то же время прочнее специальных сталей. Особенно важно, что бериллий и многие его сплавы не утрачивают полезных свойств при температуре 700…800°C и могут работать в таких условиях.
Чистый бериллий очень тверд — им можно резать стекло. К сожалению, твердости сопутствует хрупкость.
Бериллий очень устойчив против коррозии. Как и алюминий, он покрывается при взаимодействии с воздухом тонкой окисной пленкой, защищающей металл от действия кислорода даже при высоких температурах. Лишь за порогом 800°C идет окисление бериллия в массе, а при температуре 1200°C металлический бериллий сгорает, превращаясь в белый порошок Be O.
Бериллий легко образует сплавы со многими металлами, придавая им большую твердость, прочность, жаростойкость и коррозионную стойкость. Один из его сплавов — бериллиевая бронза — это материал, позволивший решить многие сложные технические задачи.
Бериллиевыми бронзами называют сплавы меди с 1…3% бериллия. В отличие от чистого бериллия они хорошо поддаются механической обработке, из них можно, например, изготовить ленты толщиной всего 0,1 мм. Разрывная прочность этих бронз больше, чем у многих легированных сталей. Еще одна примечательная деталь: с течением времени большинство материалов, в том числе и металлы, «устают» и теряют прочность. Бериллиевые бронзы — наоборот. При старении их прочность возрастает! Они немагнитные. Кроме того, они не искрят при ударе. Из них делают пружины, рессоры, амортизаторы, подшипники, шестерни и многие другие изделия, от которых требуются большая прочность, хорошая сопротивляемость усталости и коррозии, сохранение упругости в широком интервале температур, высокие электро- и теплопроводные характеристики. Одним из потребителей этого сплава стала авиационная промышленность: утверждают, что в современном тяжелом самолете насчитывается больше тысячи деталей из бериллиевой бронзы.
Добавки бериллия облагораживают сплавы на основе алюминия и магния. Это понятно: плотность бериллия всего 1,82 г/см3, а температура плавления — вдвое выше, чем у этих металлов. Самые небольшие количества бериллия (достаточно 0,005%) намного уменьшают потери магниевых сплавов от горения и окисления при плавке и литье. Одновременно улучшается качество отливок, значительно упрощается технология.
Выяснилось, что с помощью бериллия можно увеличивать прочность, жесткость и жаростойкость других металлов, не только вводя его в те или иные сплавы. Чтобы предотвратить быстрый износ стальных деталей, их иногда бериллизуют — насыщают их поверхность бериллием путем диффузии. Делается это так: стальную деталь опускают в бериллиевый порошок и выдерживают в нем при 900…1100°C в течение 10…15 часов. Поверхность детали покрывается твердым химическим соединением бериллия с железом и углеродом. Этот прочный панцирь толщиной всего 0,15…0,4мм придает деталям жаростойкость и устойчивость к морской воде и азотной кислоте.
Интересными свойствами отличаются и бериллиды — интерметаллические соединения бериллия с танталом, ниобием, цирконием и другими тугоплавкими металлами. Бериллиды обладают исключительной твердостью и стойкостью против окисления. Лучшей технической характеристикой бериллидов служит тот факт, что они могут проработать более 10 часов при температуре 1650°C.
Вывод
Материалы авиационных конструкций это важная часть самолёта ведь от них зависят лётные качества такие как: скорость самолёта, его манёвренность, скороподъёмность и т. д, как для гражданской так и для военной авиации. Поэтому материалы авиационных конструкций- является одной из основ дальнейшего развития авиации.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/aviatsionnyie-materialyi/
1. http://www.moluch.ru
2. http://www.airwar.ru
3.
4. http://dic.academic.ru
5. http://www.aviair.ru
6. http:// www.aviationunion.ru
