О материальном в авиации.
Нет, речь в "лекции" пойдет не о зарплатах пилотов, техников или авиаконструкторов. Речь пойдет об используемых в конструкциях современных самолетов материалах - титане, стали, алюминии и конечно же композитах.
На заглавной картинке показано, какие типы материалов применены в конструкции Boeing 787.
Какие основные параметры сравниваются при выборе материала?
Какие параметры лучше или хуже у того или иного материала?
Какие типы материала используются в различных частях планера самолета?
Чем так хороши композиты?
Этот текст - не университетская лекция, а популярный рассказ о прочностном взгляде на авиационные конструкционные материалы. В тексте достаточно нестрогих трактовок и упрощений, для облегчения понимания вопроса широкой аудитории.
Естественно, осветить полностью все аспекты (со стороны технологии например) применения авиационных конструкционных материалов не ставилось целью, в виду менее уверенного владения вопросом.
Понятие о напряжениях, деформациях, модуле Юнга и законе Гука
Если мы начнем нагружать (для простоты - просто растягивать) какое либо физическое тело - стержень из алюминия, резиновый жгут и подобное, то в самом теле возникнут внутренние усилия, противодействующие приложенным к телу нагрузкам. Зная поперечное сечение экспериментального образца и силу, приложенную к нему можно, поделив силу на площадь получить напряжение, возникающие в материале. Размерность как у давления - сила на единицу площади: кг/мм^2, фунт/дюйм^2 (psi., pound per square inch), у нас чаще всего используется Паскали, а точнее - Мегапаскали (сокращенно - МПа), обозначается греческой буквой σ (сигма)
Образец под нагрузкой будет деформироваться - алюминиевый стержень меньше, резиновый жгут - больше.
Разница между длиной нагруженного стержня и стержня без нагрузки - это абсолютная деформация, измеряемая в миллиметрах, дюймах, сантиметрах и пр. Если абсолютную деформацию соотнести к длине недеформированного образца, то мы получим безразмерный параметр, который называется относительная деформация, обозначаемая буквой ε (эпсилон).
В некоторых пределах соотношение сигма-эпсилон имело линейный характер и могло быть записано в виде:
Параметр E получил название модуля упругости или модуля Юнга. Размерность имеет, как нетрудно догадаться, идентичную напряжению - МПа. На пальцах - этот параметр показывает насколько сильно тот или иной материал сопротивляется приложенным усилиям, насколько материал жесткий.
Соотношение приведённое выше было экспериментально получено английским ученым Робертом Гуком:
Человеком, по свидетельствам современников, он был скромным и находился в тени более известного ученого Исаака Ньютона. Но - не менее выдающимся, на Википедии можно ознакомиться со списком открытий Роберта Гука. Есть мнение, что и открытие закона всемирного тяготение принадлежит именно Гуку, а не Ньютону.
Закон Гука - основной закон физики твердого тела. Все остальные открытия в теории упругости были сделаны так или иначе на основе фразы "запишем закон Гука в тензорной форме"
Дальнейшие испытания материалов показали, что, однако, закон Гука полностью выполняется не всегда и не для всех материалов, а только в сравнительно узком диапазоне деформаций. Дальнейшие испытания образцов материала выявили зависимость деформаций образца и приложенной к нему нагрузки.
Типовой образец для испытаний материала:
Типовой график испытаний металла (малоуглеродистой стали) выглядит вот так:
Примечание: на приведенном рисунке показана зависимость абсолютного удлинения от приложенной нагрузки, а не напряжения от относительной деформации. На самом деле это нестрашно, форма и характерные точки графика от этого не изменятся.
Называется он у нас "диаграмма растяжения" или "график сигма-эпсилон". За рубежом распространено название "stress-strain curve"
Итак.
Диаграмма растяжения. Характерные точки.
Прямой участок ОА на графике - это именно та область, где соблюдается закон Гука. Точка А, где нарушается пропорциональная зависимость между напряжениями и деформацией называется пределом пропорциональности. Если мы снимем нагрузку с образца, то он вернется в исходное свое состояние по линии ОА без проявления остаточных деформаций.
Участок АВ - этот то место, где деформации перестают подчиняться Закону Гука. При разгрузке образца с точки на участке АВ до точки О деформации всё же останутся упругими. Точка В носит название предел упругости.
Зачастую точки А и В близки на графиках и различием между ними пренебрегают.
При дальнейшем нагружении образец от точки В подходит к точке С. От точки С до точки D деформация образца растет без увеличения нагрузки, материал течёт. Напряжение соответствующее точке С на графике называется пределом текучести σт, а участок CD - площадкой текучести. При достижении материалом своего предела текучести происходит изменение внутреннего строения материала, его физико-механических свойств.
Участок DE называется участком упрочнения. Точка Е - точка наивысшей прочности материала. Напряжения, соответствующие этой точке как правило материал не может выдерживать постоянно, потому это напряжение называют временным пределом прочности -σв .
Следует заметить, что диаграммы растяжения основных авиационных материалов - алюминиевых сплавов имеют несколько другой вид:
Диаграммы растяжения для сплава Д16(2024) и высокопрочного В95(7075)
У приведенных выше сплавов отсутствует ярко выраженная площадка текучести, поэтому в качестве предела текучести берётся такое напряжение, при котором величина остаточной деформации составляет 0,2% от первоначальной длины. Это напряжение называют условным пределом текучести или "сигма-ноль-два".
В авиационной прочностной работе не заморачиваются, там вообще нет материалов с ярко выраженной площадкой текучести, а потому это напряжение называют просто пределом текучести, без всяких условностей.
Говоря об авиационных конструкционных материалах обязательно следует поговорить и об удельных физико-механических свойствах материалов. Ведь недостаточно того, чтобы материал был абсолютно прочным. Ведь дело не в прочности как таковой, а в сочетании прочности и малого веса материала. Высопрочные стали так же и достаточно "высокотяжелые". А самолету надо летать и возить грузы с пассажирами, а не самого себя.
Потому необходимо еще вспомнить об удельном весе материала.
Вычисляется он просто - вес делится на объем, обозначается буквой гамма - γ.
Если мы соотнесём параметры прочности и жесткости материала - предел прочности и жесткость к удельному весу, то мы получим, соответственно, удельную прочность и удельную жесткость материала.
Промежуточный итог:
Основные термины, нужные нам для дальнейшего разговора:
σ - напряжение
σт - предел текучести материала
σв - предел прочности материала (и удельный предел прочности)
Е - модуль упругости материала (удельный модуль упругости)
Сравнительная таблица механических характеристик металлов.
В таблице приведены данные для четырех "харАктерных" сплавов. Д16АТ - самого распространённого металла в конструкциях самолетов, высокопрочного В95, суперстали 30ХГСА и титановго сплава ВТ5.
Приведены данные о пределах текучести материалов (Fty), пределах прочности (Ftu), модуле Юнга (E), удельном весе (y), удельной прочности (Ftu/y) и удельной жесткости (E/y).
Что видно из этой таблицы? Ну например то, что сверхпрочная сталь из-за своего высокого удельного веса недалеко ушла от Д16АТ по удельной прочности, который - втрое менее прочный. Видно также, что высокопрочный алюминиевый сплав В95 по этому же параметру почти равен лидеру таблицы - титановому сплаву.
Что где использовать?
Такие комбинации свойств, приведённые в таблице выше, заставляют тщательно выбирать материал для конструкции самолетов. А если принимать во внимание и другие аспекты - характер работы детали под нагрузкой, температурный режим работы, частота и повторяемость нагрузки, коррозионная и усталостная стойкость материала, технологичность сплава - насколько легко сплав поддается механической обработке и сварке.
Алюминиевые сплавы, например, плохо свариваются, потому их приходится скреплять заклепками и болтами. Хорошо бы сделать всё из высокопрочного В95, но у него есть большой недостаток - втрое худшие чем у Д16 усталостные характеристики. Принимая это во внимание этот сплав лучше всего применять там, где нагрузки относительно редки, не имеют высокочастотный циклический характер и детали подвержены скорее сдвиговым, нежели растягивающим усилиям.
Делая например дверь в пассажирский салон будет оптимально на силовые балки двери использовать высокопрочный сплав, а вот для обшивки, работающей циклично на растяжение от наддува - более стойкий к усталости Д16. Не забыв при этом обеспечить хорошее изолирование от окружающей среды, в виду плохой коррозийной стойкости.
Титановый сплав привлекателен по своим параметрам, но дорог сам по себе, дорог в производстве т.к. требует особых подходов к мехобработке и сварке. В последнее время стальные детали заменяются на титановые. Применяется он в ответственных узлах шасси,разного рода кронштейнов навески механизации и т.п.
Стальные сплавы остаются в планере самолета там, где нужно сохранять свои свойства при высокой температуре. В этом конечно сталям нет равных пока. На этой неделе в тренде МиГ-31 из Перми, ну вот вам яркий образец выбора материала под конкретные задачи - сталь лучше всего работает при высоких температурах, в разы дешевле и технологичнее роскошного титана.
Композиционные (композитные) материалы.
Композитными, или композиционными материалами называются материалы, состоящие из двух или более компонентов, взаимно нерастворимых друг в друге. В общем виде таких компонентов у большинства композитов два - это матрица и армирующие волокна.
Армирующие волокна - этот компонент матриала воспринимает все внешние нагрузки.
- имеют высокую прочность и жесткость
- диаметр 7-10 микрон
- хрупкие
- главный несущий элемент
Матрица - это связующий компонент материала, позволяет волокнам работать совместно, никуда не рассыпаясь.
- Участвует в работе как среда, распределяющая нагрузку
- Защищает волокна от внешних повреждений
- обеспечивает общую форму и размер детали
Немного о том, как появились высокопрочные волокна.
В начала XX века ученые, занимавшиеся прочностью материалов смогли подсчитать теоретическую прочность актуальных конструкционных материалов. Теоретическую прочность подсчитывали на основе изучения под микроскопом атомарной структуры материалов. На основании вычисления сил притяжения между атомами и делалось заключение о теоретической прочности того или иного материала. Однако реальная прочность образцов была в десятки раз ниже теоретической прочности на основе атомарной связи.
Как-то объяснить это несоответствие взялся английский авиаинженер из Фарнборо Алан Гриффитс. В качестве испытуемого материала он использовал простое стекло. Почему стекло? Потому что стекло разрушается абсолютно хрупко, площадки текучести у этого материала нет от слова совсем. Ну и плюс при высоких температурах свойства стекла радикально не меняются.
Гриффитс стал испытывать на разрыв образцы из стекла, постепенно уменьшая их толщину, нагревая и вытягивая стекляные нити-волокна. Была выявлена интересная закономерность:
Стержни длиной более 0,1 мм. имели прочность близкую к реальной прочности изделий из стекла - бутылок, пробирок, мензур и т.д. Однако, с уменьшением размеров стеклянных волокон их прочность начинала резко возрастать, приближаясь к теоретическому пределу.
Всё дело в том, что в любом материале всегда есть дефекты - микроскопические включения постороннего материала, небольшие поверхностные трещины, различимые только в микроскоп. Металлы так вообще имеют зернистую структуру:
Внутри зерна металла прочность может быть и большая, но связь между зернами значительно слабее внутризерновой атомарной.
Если аккуратно вытягивать влокона, уменьшая толщину до размеров меньших тех, которые имеют потенциально возможные включения в этот самый материал, то можно значительно улучшить "чистоту" этого материала и заметно увеличить его прочность.
Вот именно поэтому волокна в композитах имеют такие высокие удельные характеристики жесткости и прочности. Благодаря "очистке" материала от примесей и трещин путем вытягивания из материала тончайших волокон.
Сравнительные характеристики органических волокон и металлов:
Из таблицы видно, что титан близок, а сталь - превосходит по прочности некоторые стеклоянные и углеродные волокна. Но это - до той поры, пока не рассматривать удельные параметры материалов.
Выявив столь многообещающие характеристики армирующих волокон инженеры принялись осваивать производство материала из них. Потому что сами по себе они - просто пучок ниток или волос. А вот если материалы соединить с помощью какой-нибудь вязкой смолы, которую потом можно отвердить с помощью температурной обработки - то это уже получится слой композита.
В зависимости от расположения волокон в слое они делятся на:
- однонаправленные непрерывные. В этом слое все волокна ориентированы в одну сторону и не прерываются. Такой тип слоя носит название tape.
- двунаправленный непрерывный. В этом слое армирующие волокна сплетены по типу ткани и пропитаны смолой. Такой тип слоя носит название fabric.
- однонаправленный прерывистый. Армирующие волокна прерываются на протяжении слоя
- хаотичный прерывистый. Волокна, грубо говоря, смешаны в кучу без явно выраженного направления.
В авиапроме применяются первые два типа слоев композита. Однонаправленный монослой применяется для намотки крупногабаритных агрегатов:
Комбинируя множество слоев под различными углами можно проектировать характеристики жесткости материала под заданые нагрузки.
Например фюзеляжу нагруженному избыточным давлением хорошо бы иметь побольше волокон перпендикулярныйх оси симметри, а в осевом направлении - поменьше. Ну и еще бы для восприятия сдвиговых усилий от крутящих моментов необходимо добавить некоторое количество слоев под углами +/-45 градусов.
Двунаправленные композитные слои используются для выкладки деталей меньшего размера. Слои ткани укладываются под необходимыми углами, а затем - полимеризуются в автоклаве.
Кратко два наиболее ярких преимущества композитов на основе вышенаписанного:
- более высокие чем у металлов удельные прочность и жесткость
- возможность регулирования механических свойств материала под конкретные задачи
Помимо этого у композитных материалов существуют следующие особенности, которые следует учитывать при применении их в проектировании.
- строгое подчинение волокон закону Гука. На диаграмме сигма-эпсилон график для однонаправленного композита будет представлять собой прямую вплоть до разрушения. Композит всегда разрушается хрупко.
- температурное расширение ниже чем у металлов.
- высокая степень демпфирования. Конструкции из КМ лучше металлов поглощают энергию при вибрациях.
- Устойчивость к коррозии
- Чувствительность к УФ облучению и влаге. Необходимо более тщательно организовывать покрытие изделий из композитов для защиты от этих факторов.
- Относительно низкие температуры эксплуатации. Ограничение "по матрице". Если есть термопрочный материал, подходящий технологически - то эту особенность можно нивелировать.
- Гальваническая коррозия. При использовании соединения углепластика и алюминие между этими деталями может возникнуть гальваническая пара, которая приведёт к ускоренной коррозии металлических деталей. Необходимо изолировать алюминий применением специальных диэлектрических прокладок.
Ну вот так, если "коротко".
Кому интересно углубить знания:
В. Н. Зайцев, В.Л. Рудаков. «Конструкция и прочность самолетов»
Издание второе, переработанное и дополненное.
Под общ. ред. проф. В.Н. Зайцева
Киев, «ВИЩА ШКОЛА» 1978 г.
Г.И. Житомирский. «Конструкция самолетов»
2-е издание, переработанное и дополненное
Москва, МАШИНОСТРОЕНИЕ, 1995
С.М. Егер, А.М. Матвиенко, И.А. Шаталов
«Основы авиационной техники» Учебник
Издание второе, переработанное и дополненное
Москва, Издательство МАИ 1999 г.
J. Gordon
THE NEWSCIENCE OF STRONG MATERIALS or WHY YOU DONT FALL THROUGH THE FLOOR
Перевод с английского С.Т. Милейко
Издательство "Мир",Москва, 1971
Т.Фудзи, М. Дзако
Механика разрушения композиционных материалов.
Москва, «Мир» 1982 г
http://splav-kharkov.com/main.php
Оригинальный пост в ЖЖ:
http://fox511.livejournal.com/124562.html
Там есть интересные вопросы и пояснения в комментах
