СОДЕРЖАНИЕ

Общие сведения о материаловедении

Материаловедение - наука, изучающая состав, строение и свойства материалов, а также способы получения , обработки и практического применения в конкретных условиях эксплуатации. Составная часть материаловедения – металловедение.

Основоположниками металловедения являлись русские металлурги П.П. Аносов, Д.К. Чернов.

Аносов применил первым микроскоп в исследовании стали, разработал способ изготовления булатной стали и установил, что свойства стали зависят не только от химических свойств, но и от структуры.

Чернов «отец металлургии» открыл критические точки и построил диаграмму термических превращений в стали, установил законы кристаллизации, описал строение литой стали, предложил изотермическую обработку «бронепробивных снарядов».

Большой вклад в развитие металлургии внесли академики: Курнаков, опубликовавший 179 трудов, половина из которых относятся к изучению металлов и сплавов; Байков, изучающий систему медь - сюрьма, он показал, что явление закаливаемости свойственно не только стали, но и цветным сплавам.

В современном авиастроении главная роль принадлежит металлу. Авиационный двигатель состоит более чем на 90% из металла и вся реактивная техника базируется на применении жаропрочных и жаростойких сплавов.

Требования к металлам различны, все зависит от условий работы, нагрузки, температуры и воздействия среды.

Лонжерон - высокая жесткость, статическая прочность.

Вал двигателя- материал, хорошо сопротивляющийся ударной и знакопеременной нагрузке, кроме того, целый ряд двигателей самолета и двигателя изготавливаются из материалов, обладающих специальными свойствами: прозрачность, малая теплопроводность, высокие электроизоляционные качества, непроницаемость для жидкостей и газов.

Материалы, применяемые в авиационной промышленности

В современном летательном аппарате, будь то авиационная или космическая техника, более 120 различного рода металлов, сплавов и иных материалов. Все они должны соответствовать весьма жестким требованиям и техническим условиям, а кроме того должны обладать еще одним качеством – конкурентоспособностью.

Условия использования авиационной и космической техники предопределяют жесткие требования к материалам. Они должны обеспечить прочность конструкции при воздействии значительных силовых нагрузок, повышенных и пониженных (до -253°С) температур, коррозионно- активных сред, корпускулярных, электромагнитных, рентгеновских излучений и др., обладая при этом минимальным удельным весом.

Материалы для планера самолетов и вертолетов

Облик ЛА определяют более 120 конструкционных и функциональных материалов, разработанных в рамках программы и внедренных в самолетах Ил-96М, Ту-204, Ил-114, Бе-200, последних модификаций Ту-154М, Ил-86 и др. Благодаря применению новых алюминиевых сплавов, полимерных композиционных материалов, титановых сплавов, конструкционных сталей, комплекса неметаллических материалов (лакокрасочных покрытий, клеев, герметиков) увеличен срок эксплуатации изделий в 1,5–2,0 раза, ресурс в 1,5–2,0 раза, межремонтный срок при эксплуатации, улучшена пожаробезопасность интерьера. Основным конструкционным материалом для планера остаются алюминиевые сплавы. В 2000–2015 гг. их доля сохранится на уровне 50%.

Увеличение надежности, улучшение характеристик трещиностойкости, повышение усталостных свойств сплавов для фюзеляжа, крыла и силового набора обеспечивались за счет значительного роста чистоты сплавов, количества избыточных фаз, разработки новых режимов термообработки, улучшения качества полуфабрикатов. Сплав 1163АТ системы Al–Cu–Mg не уступает по свойствам американскому сплаву 2524. Были созданы алюминиевые сплавы, значительно превосходящие по прочности существующие, в первую очередь для сжатых зон (крыло) и силового набора. Это сплав В96Ц3 системы Al–Zn–Mg–Cu, содержащий цирконий, опытный сплав, а также СИАЛы – металлополимерные слоистые композиты, обладающие в 10 раз меньшими по сравнению с традиционными сплавами характеристиками скорости развития трещины усталости (СРТУ, мм/кцикл) и более высокими показателями малоцикловой усталости.

Еще один способ повышения весовой эффективности – уменьшение плотности алюминиевых сплавов, реализующийся благодаря созданию рецептур сплавов, легированных литием. Уже существует серия сплавов средней (1420, 1421, 1441) и высокой (1460) прочности. Высокопрочный свариваемый сплав 1460 предназначен для эксплуатации в интервале температур от +175°С до -253°С; его применение в космических аппаратах, вместо сплавов типа АМг6, значительно повышает сохранность прочностных свойств (до 0,94 вместо 0,65) сварных конструкций при температуре -253°С, что позволяет снизить вес аппарата до 35%.

Объем применения титановых сплавов в конструкциях планера и шасси составляет около 10%. Сплавы будут совершенствоваться в первую очередь за счет роста прочностных характеристик, надежности и технологичности.

При достижении перечисленных характеристик титановые сплавы получат несомненное преимущество над высокопрочными сталями и алюминиевыми сплавами. Освоение широкого ассортимента полуфабрикатов и разработка усовершенствованных конструкций позволят увеличить их область применения в военных самолетах до 50%, при этом масса конструкции снизится на 30–35%.

Полимерные 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. (ПКМ) благодаря значительным преимуществам по удельной прочности и жесткости, исключительному сочетанию конструкционных, теплофизических, специальных свойств все больше используются в строительстве ЛА. Если в конструкции планера и в интерьере самолета Ту-204 объем применения ПКМ составил 14% от массы, то в пассажирских аэробусах нового поколения типа А3ХХ он достигнет 25%.

Применение ПКМ на основе углеволокна – одно из эффективных средств уменьшения массы летательного аппарата. Совершенствование прочностных, деформационных, теплофизических характеристик углепластиков и повышение их теплостойкости даст возможность использовать их не только в слабо- и средненагруженных конструкциях пассажирских самолетов (интерьер, средства механизации крыльев, зализы и т.п.), но и по аналогии с военными самолетами в высоко нагруженных деталях (крылья, вертикальные рули и др.).

Особенно эффективно применение ПКМ для изготовления лопастей вентиляторов для двигателей самолетов Ан-70, Ил-114, Ан-140, Ан-38. Благодаря снижению массы лопастей (по сравнению с алюминиевым сплавом на 66%) обеспечиваются: высокая тяга на старте, сокращение разбега при взлете и посадке, снижение в 2–3 раза шума и вибрации, расхода топлива на 25% и повышение КПД до 0,85–0,88.

Дальнейший прогресс в применении ПКМ для сильнонагруженных конструкций связывается с разработкой нового класса слоистоволокнистых анизотропных полимерных материалов – адаптирующихся композиционных материалов (АКМ). АКМ типа углепластиков обладают анизотропией, созданной нетрадиционной укладкой монослоев. Ось анизотропии имеет некоторый угол с линией действия нагрузки в плоскости конструкций, например, обшивок, балок и т. п. Исследования показали, что при силовом давлении на конструкцию и определенной структуре материала, характеризующегося разницей в углах между линией действия сил и главной осью анизотропии, происходит изменение формы изделия. Это приводит к перераспределению действующих нагрузок, что выражается в уменьшении нагрузок, действующих на конструкции в целом, и как следствие – в снижении ее массовых характеристик.

Применение традиционных композиционных конструкций дает определенный эффект, однако использование адаптирующихся КМ этот эффект значительно увеличивает. Например, согласно расчетам, применение обычных КМ в концевой части крыла самолета на одной трети размаха приводит к уменьшению массы конструкции планера на 150 кг, в то время как использование адаптирующихся КМ, деформирующих крыло в нужном направлении при расчетных режимах, позволит уменьшить массу крыла на 3200 кг (расчеты выполнены для самолета, вмещающего 700 пассажиров при взлетной массе 600 т).

На практике проверена возможность достижения высоких массовых и аэродинамических характеристик при использовании адаптирующегося материала – углепластика АКМ-1у в крыле обратной стреловидности истребителя С-37 «Беркут» АО «ОКБ Сухого». Из этого материала сделаны панели кессона крыла размером 7×2 м и толщиной в корневой части около 20 мм. Высокая жесткость материала по размаху крыла 1,1×10 ⁵ при удельной массе 1,6 г/см ³ в сочетании с требуемой адаптирующейся способностью обеспечила постоянство углов атаки при различных маневрах самолета, что было продемонстрировано в процессе летных испытаний.

Также необходимо добавить о разработка бериллиевых сплавов. 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. Лучшей технической характеристикой бериллидов служит тот факт, что они могут проработать более 10 часов при температуре 1650°C.

Дальнейшее развитие получила разработка клеев, использование которых при изготовлении авиационных конструкций (в т. ч. сотовых) обеспечивает повышение уровня прочности на 25%, ресурса и надежности – в 2–3 раза, а также снижение энергозатрат. При создании теплостойких клеев для авиакосмической техники применяли различные типы полимеров, удовлетворяющих требованиям по теплопрочностным, технологическим и эксплуатационным свойствам.

Модифицированные фенольно-каучуковые клеи рекомендованы для работы при температурах до 350°С (24 часа). Они имеют удобную для нанесения консистенцию, при температурах до 250°С из клеевого шва не выделяется конденсационноспособная фаза, что делает их весьма перспективными для изготовления магнитопроводов особо точных приборов.

Фенольно-каучуковый клей с использованием воды вместо органического растворителя обладает улучшенными экологическими характеристиками и удобен для скрепления высокотемпературных тензорезисторов.

Полиуретановые клеи, модифицированные элементоорганическими соединениями, характеризуются широким диапазоном рабочих температур (от криогенных до более 400°С), могут отверждаться как при повышенной, так и при комнатной температуре и успешно используются в двигателестроении.

На основе модифицированных элементоорганических соединений разработан не содержащий растворителя оптический клей, предназначенный для склеивания световодов при температурах до 500°С.

Клеи-герметики на основе элементоорганических эластомеров, обладающие исключительной эластичностью, применяются для фиксации разнородных материалов и обеспечивают работоспособность соединений при температурах от -130 до 350°С. На основе эластомеров блочного строения разработаны клеи, функционирующие при температурах от -20 до 400°С.

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.