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第四单元 航空材料与紧固件

第一章 金属材料

金属材料的机械性能

在航空器设计中，要求每个零件或构件都必须满足静强度和疲劳强度等方面的机械性能要求。因此，本节将简单介绍金属材料机械性能方面的基本知识。

静强度

金属材料的静强度通过拉伸试验确定。进行拉伸试验时，先把如图1

-1（a）所示的金属拉伸试样，装在拉伸试验机

上，然后缓慢增加载荷（拉力），使试样拉长，直至拉断。拉断的试样如图1-1（b）所示。在试样拉断的过程中，拉伸试验设备可自动记录施加于试样的外力和试样伸长变形量之间的关系

曲线，即所谓的拉伸曲线。低碳钢试 （a）拉伸前 （b）拉断后

样的拉伸曲线，如图1-2所示。由拉 图1-1 拉伸试样

伸曲线可得出如下的拉伸性能指标。强度指标

1、弹性极限

拉伸曲线上oe段的e点以下为直

线，表明试样变形量（⊿）与外力（P）成正比。直线段的试样变形为弹性变

形。弹性极限是试样最大弹性变形过渡到弹—塑性变形时所承受的应力，即ζ

e=Pe/F0（MPa），式中Pe为试样产生最大弹性变形并开始有微量的塑性变形时承受

的力（单位为兆牛），F0为试样的原始截

面面积（单位为米2）。 图1-2 低碳钢拉伸曲线在实际拉伸试验中，弹性极限受测量精度影响，很难精确测试。所以在国标中规定，以试样残余伸长量为0.01%时的应力作为―规定弹性极限‖，并以ζ0.01表示。严格地说，弹性极限代表材料对微量塑性变形的抗力，而不代表对最大弹性变形的抗力。

2、屈服强度（ζs或ζ0.2）

在拉伸曲线上，当外力增加到Ps时，出现平台阶段，表明此时外力虽不增加，试样却继续伸长，即试样产生屈服现象。试样屈服时承受的最小应力，称为屈服强度（或屈服点），以ζs表示。ζs=Ps/F0（MPa），Ps为屈服时的外载荷，F0为试样原始截面面积。

但是许多材料，如铝合金、铜合金和合金钢在拉伸曲线上并不出现明显的屈服现象。因此规定，试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时，材料所承受的应力称为―规定屈服强度‖，并以ζ0.2表示。

屈服强度代表材料对发生明显塑性变形的抗力。航空器结构件在使用中是不允许产生明显塑性变形的，因此，屈服强度是设计和选材的主要依据之一。

3、抗拉强度（ζb）

弹性材料拉伸试验产生屈服时，由于塑性变形会引起试样加工硬化，所以，要使随后的试样伸长必须继续增加载荷，直到Pb点时，载荷达到最大值。在载荷为Pb点以前，试样变形（伸长）是均匀的；而载荷达到Pb点以后，试样变形将集中地发生在试样的薄弱处，因而试样产生细颈。由于细颈处截面面积急剧减小，所以，试样能承受的载荷下降，直到最后断裂。

试样能承受的最大载荷除以原始截面面积所得的应力，称为抗拉强度或强度极限，并以b 表示，即b=Pb/F0 （MPa）。

抗拉强度是材料在拉伸条件下能够承受最大载荷时的应力值。当构件工作中承受的应力大于材料的抗拉强度时，这个构件就会产生断裂。所以，b 亦表征材料抵抗断裂的能力。

从保证构件不产生断裂的安全角度出发，同时考虑到b 的测量方便，所以往往将b 作为构件设计的依据，但要采用安全系数。

4、弹性模量（E）

材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值，称为弹性模量（E），即E=/ε （MPa）。式中 为应力；ε为应变，即单位长度的伸长量

（⊿/ ）。

弹性模量E表征材料产生弹性变形的难易程度。材料的E大，表示材料产生一定量的弹性变形所需要的应力也大，即不容易产生弹性变形。

构件的刚度除结构因素外，还取决于材料的弹性模量。许多构件工作中均有刚度要求，若刚度不足，可能会因过量的弹性变形而使运动部

件产生卡死现象。塑性指标

1、延伸率（δ）

材料的延伸率以δ=（l1-lo）∕lo×100%公式计算。式中lo为试样原始标距长度；l1为试样拉断后的标距长度，如图1.1-1所示。

对于圆形试样，用lo=5 d或lo=10 d（d为试样的直径）试样所测得的延伸率，分别用δ5或δ10表示。可以理解，试样拉断后的总长度，包含试样的均匀伸长量和产生细颈时局部塑性变形的伸长量。相对地说，短试样中局部塑性变形伸长量所占的比例大。因此，同一种材料在相同状态下所测得的δ5和δ10数值是不同的，δ5的数值大，而δ10数值小。因此，用延伸率比较材料塑性的大小时，只有在相同符号的延伸率条件下才有可比性。

2、断面收缩率（ψ）

断面收缩率用ψ=（Fo-F1）∕Fo×100%公式计算。Fo为试样原始截面面积；F1为试样拉断后细颈处的截面面积。断面收缩率不受试样尺寸影响，能可靠地反映材料的塑性。

材料的塑性指标δ或ψ，一方面表示材料塑性加工性能的好坏（如飞机蒙