《航空材料力學性能檢測》是航空工業(yè)力學性能檢測人員的培訓教材。全書共4篇17章:基礎知識篇包括航空材料基礎知識、金屬的變形、金屬的斷裂與斷口分析和數(shù)據統(tǒng)計分析基礎知識;短時力學性能篇包括金屬的拉伸、硬度、沖擊、壓縮、彎曲、扭轉、剪切和工藝性能試驗以及復合材料的短時力學性能試驗;疲勞斷裂力學性能篇包括金屬的高周疲勞、低周疲勞、斷裂韌度和裂紋擴展速率試驗以及非金屬材料的疲勞、斷裂和沖擊性能試驗;長時力學性能篇包括金屬的持久和蠕變性能及氫脆試驗。
《航空材料力學性能檢測》是23位一線檢測人員實際檢測經驗的總結,主要包括力學公共知識、金屬材料、復合材料的疲勞斷裂、持久蠕變、短時力學四大類檢測方法。主要以對航空材料的要求來介紹檢測方法,其中檢測方法也同樣適用于其他工業(yè)行業(yè)。
力學性能是指材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境溫度的聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為。材料承受載荷的力學狀態(tài)一般采用各種力學參量(如應力、應變、沖擊吸收能量、應力強度因子等)表示,而表征材料力學行為參量的臨界值或規(guī)定值則稱為材料的力學性能指標(如屈服強度、塑性應變、斷裂韌度、蠕變強度、疲勞極限、疲勞裂紋擴展門檻值等)。這些性能指標不僅是評定和選用材料及確定加工工藝的基本依據,而且是工程應用、結構強度設計、壽命預測和結構完整性評估的不可或缺的重要基礎數(shù)據,是連接材料及工藝研究、結構設計和工程應用的橋梁。
現(xiàn)代飛行器的承載能力是指在特定的服役時間和服役條件下(復雜交變載荷、高溫、高速和腐蝕環(huán)境等)飛行器運行的安全性、可靠性、舒適性、經濟性和維修性等方面的保障能力。承載能力取決于工程裝備的結構設計和材料的力學特性。航空裝備相對其他工程裝備而言,對材料性能的要求更加嚴格,性能指標更加先進,而且對不同類型的飛行器而言,設計對材料性能要求的關注重點也有所不同。因此對航空材料力學性能的檢測、表征和評價提出了更高的要求。
檢測數(shù)據的真實、有效和可靠是航空工業(yè)對材料力學性能檢測提出的基本要求。然而影響材料力學性能檢測數(shù)據真實性、有效性和可靠性的因素很多,主要涉及測試設備、測試方法、測試環(huán)境、測量溯源、試樣狀態(tài)及測試人員等方面。其中測試人員既是從事測試工作的主體,也是保證檢測數(shù)據真實性、有效性和可靠性的第一因素,更是控制其他五個方面因素的實踐者。測試人員對檢測設備的掌握程度、對測試標準和方法的認知程度等,對檢測工作的質量會產生重大的影響。因此編寫一套統(tǒng)一、完整的力學性能培訓教材,有組織地對測試人員進行系統(tǒng)培訓和從業(yè)資格取證就顯得尤為重要。
原航空工業(yè)金屬力學性能檢測人員資格鑒定委員會于1993年編制的內部培訓教材,至今已使用20余年,為航空工業(yè)乃至社會各界的力學性能檢測人員的技術培訓與資格鑒定發(fā)揮了重要作用。隨著航空工業(yè)的發(fā)展和科學技術的進步,新材料、新工藝、新結構不斷涌現(xiàn),材料測試技術與表征方式持續(xù)更新,對力學性能檢測人員的培訓與資格鑒定提出了新的要求。本書在原內部培訓教材的基礎上進行了更新、補充和完善,使之與時俱進,以期更好地服務于航空工業(yè)及其他行業(yè)廣大從事力學性能檢測工作的同行們。
本書編寫的整體思路是力求使力學檢測人員不僅熟悉試驗操作的步驟,而且知道為什么這樣做,如何做得更好、更為準確到位,因此本書體現(xiàn)出實踐與理論并重的特色。在內容上,在充分論述基本概念和基本原理的基礎上,詳細描述了試樣、試驗設備、測試環(huán)境、測試方法和試驗操作要點等試驗細則,特別強調對關鍵測試技術和測試方法要點的重點描述。希望此書能為從事航空材料力學性能檢測的工程技術人員提供一本既含基本原理表述,又具實際工作指導作用的培訓教材或參考書。同時,也希望讀者,特別是工作在一線的檢測人員對本書存在的問題和不足給予指正,使之不斷改進完善。
本書由基礎知識、短時力學性能、疲勞斷裂力學性能、長時力學性能4大篇組成,涵蓋了主要航空結構材料(包括金屬、非金屬和復合材料)所需力學性能的主要測試技術和方法,突出了航空結構設計對材料力學性能的特殊要求,如環(huán)境或變幅載荷下的疲勞斷裂性能、高可靠性的統(tǒng)計性能數(shù)據等。本書的編寫以現(xiàn)行的國家標準、國家軍用標準、航空工業(yè)行業(yè)標準和相應的美國ASTM等試驗方法標準為依據。本書在內容上覆蓋面廣,既詳細描述了基本的力學性能測試方法,又清晰地介紹了更多復雜、先進的測試技術和測試方法,如疲勞裂紋擴展門檻值和小裂紋測試方法,腐蝕環(huán)境及變幅載荷下的疲勞與裂紋擴展試驗方法,高溫疲勞、熱機械疲勞和蠕變疲勞試驗等。在基礎知識方面,除了介紹金屬與復合材料的基礎知識、金屬的變形外,還介紹了金屬的斷裂與斷口分析、數(shù)據統(tǒng)計分析基礎、取樣與試樣制備、試驗方案設計等方面的內容。在非金屬和復合材料方面,除了介紹幾種常用的靜態(tài)力學性能試驗方法外,還重點介紹了疲勞、沖擊、斷裂性能的測試方法。此外,需要特別說明的是,由于部分試驗方法的現(xiàn)行國家標準和航空標準存在術語、符號上的差異,為便于讀者使用,本書對單一章節(jié)的術語、符號進行了統(tǒng)一,并在附錄D和附錄E中羅列了金屬材料性能測試國家標準與航空標準之間以及復合材料性能測試美國ASTM標準與國家標準之間有差異的術語和符號。
本書由中國航發(fā)北京航空材料研究院(以下簡稱“航材院”)檢測中心力學性能研究室組織,由中航工業(yè)、中國航發(fā)的相關廠所以及部分高等院校參加編寫。參加編寫的人員從事力學性能檢測研究工作多年,積累了扎實的專業(yè)基礎理論知識和豐富的實踐經驗。北京航材院檢測中心力學性能研究室集航空材料力學行為研究與專業(yè)化材料性能測試于一體,具有120余人的專業(yè)團隊和近億元的設備資產,綜合實力國際先進,不僅是我國飛機、航空發(fā)動機設計用材料性能數(shù)據的主要提供者,更是中國航發(fā)材料數(shù)據中心的掛靠單位。
本書由中航工業(yè)力學性能檢測人員資格鑒定委員會主任郭廣平負責全書總體策劃、組織與協(xié)調;621所丁傳富負責全書內容構思、編制教材編寫大綱、全書統(tǒng)稿和校審;621所焦?jié)奢x、鐘斌、李騁參與全書的組織和協(xié)調工作;西北工業(yè)大學王泓老師承擔部分章節(jié)的校審。第1章~第3章由621所丁傳富編寫;第4章由621所馬少俊編寫;第5章由430廠郭子靜編寫;第6章由172廠何存利、3007廠杜正榮和621 所鐘斌編寫;第7章由120廠寧淑燕、132廠李紀濤編寫;第8章由5713廠洪力編寫;第9章由122廠黃玉華、410廠韋廷立編寫;第10章由621所陳新文、王海鵬和鄧立偉編寫;第11章由621所胡本潤編寫;第12章由621所李影、金磊編寫;第13章由621所陳勃、丁傳富編寫;第14章由621所馬少俊編寫;第15章由621所陳新文、王海鵬和王翔編寫;第16章和第17章由621所李騁、吳安民編寫;附錄由621所馬少俊編寫。本教材在編寫過程中得到了全體委員的鼎力支持和配合,在此謹表示誠摯的感謝。中航工業(yè)力學性能檢測人員資格鑒定委員會
中國航發(fā)力學性能檢測人員資格鑒定委員會
序言
前言
第1篇基 礎 知 識
第1章航空材料基礎知識
1.1材料性能
1.1.1材料性能的分類
1.1.2材料性能與其成分、組織、工藝及結構設計的關系
1.2飛機設計思想的發(fā)展及對材料性能的要求
1.3航空主要金屬結構材料的分類及應用
1.3.1結構鋼和不銹鋼
1.3.2高溫合金
1.3.3鋁合金
1.3.4鈦合金
1.4復合材料概述
1.4.1復合材料的定義
1.4.2復合材料的組成
1.4.3復合材料的主要特點
1.4.4復合材料的分類
1.4.5復合材料的應用
1.4.6復合材料的基本力學性能
1.5力學性能試驗取樣與制備
1.5.1取樣類型及取樣原則
1.5.2試樣軸線的標識方法
1.5.3試樣的制備
1.5.4試樣包裝與防護
1.6力學性能試驗方案設計
1.6.1試驗方案策劃
1.6.2試驗方法與步驟
1.6.3試驗質量控制
1.6.4數(shù)據處理方法及結果表達
1.6.5試驗結果評估
思考題
第2章金屬的變形
2.1基本概念
2.1.1外力與內力
2.1.2變形的基本形式
2.1.3應力與應變
*2.1.4應力狀態(tài)的柔性系數(shù)
2.2金屬的彈性變形
2.2.1彈性變形的特點
2.2.2胡克定律
2.3彈性模量
2.3.1彈性模量的物理意義
2.3.2影響彈性模量的因素
2.3.3金屬的彈性與彈性比功
2.4金屬的塑性變形
2.5金屬的形變強化
2.5.1形變強化的工程意義
2.5.2形變強化曲線和形變強化指數(shù)
2.5.3影響形變強化的因素
思考題
第3章金屬的斷裂與斷口分析
3.1斷裂的類型
3.1.1韌性斷裂與脆性斷裂
3.1.2穿晶斷裂與沿晶斷裂
3.1.3剪切斷裂與解理斷裂
3.1.4按受力狀態(tài)和環(huán)境介質分類
3.2斷口分析
3.2.1斷口分析的內容
3.2.2斷口分析的基本方法
3.3斷口的宏觀形貌特征
3.3.1靜載荷下斷口的宏觀形貌特征
3.3.2沖擊斷口的宏觀形貌特征
3.3.3疲勞斷口的宏觀形貌特征
3.3.4沿晶斷裂的宏觀形貌特征
3.3.5實際構件斷口的宏觀分析
3.4疲勞斷裂的微觀形貌特征
3.4.1疲勞裂紋擴展斷口的微觀形貌特征
3.4.2近門檻值擴展區(qū)斷口的微觀形貌特征
3.4.3低周疲勞斷口的微觀形貌特征
3.4.4腐蝕疲勞斷口的微觀形貌特征
*3.5應力腐蝕與氫脆斷口
3.5.1應力腐蝕斷口的形貌特征
3.5.2氫脆斷口的形貌特征
思考題
第4章 航空材料力學性能檢測目錄第4章數(shù)據統(tǒng)計分析基礎知識
4.1基本概念
4.1.1母體、個體和子樣
4.1.2平均值和中值
4.1.3方差和標準差
4.1.4變異系數(shù)
4.1.5隨機變量和概率密度函數(shù)
4.1.6分布函數(shù)和可靠度
4.2常用分布函數(shù)及其應用
4.2.1正態(tài)分布及其應用
4.2.2威布爾分布及其應用
4.2.3t分布及其應用
4.2.4χ2分布及其應用
4.2.5F分布及其應用
4.3回歸分析簡介
4.3.1回歸分析的基本概念
4.3.2一元線性回歸分析
4.4數(shù)據基值簡介
4.4.1-3σ基值
4.4.2A基值和B基值
4.4.3S基值
4.4.4典型基值
4.4.5數(shù)據基值表達設計許用值的使用原則
4.5數(shù)值修約
4.5.1數(shù)值修約規(guī)則
4.5.2修約間隔為非10n單位的修約
4.5.3界限數(shù)值的修約
4.6試驗結果的測量不確定度簡介
4.6.1測量不確定度的基本概念
4.6.2測量不確定度的評定方法
4.6.3測量不確定度的評定步驟
4.6.4測量不確定度的評定實例
思考題
第2篇短時力學性能
第5章金屬的拉伸試驗
5.1基本概念
5.1.1拉伸圖和應力應變曲線
5.1.2拉伸過程的物理現(xiàn)象及性能指標
5.1.3拉伸試驗標準的分析與比較
5.2試驗設備
5.2.1拉力試驗機
5.2.2引伸計
5.2.3高、低溫試驗裝置
5.3拉伸試樣
5.3.1比例試樣
5.3.2試樣的形狀和尺寸
5.3.3試樣的加工要求
5.4試驗前的準備工作
5.4.1測量試樣原始橫截面積So
5.4.2標記原始標距Lo
5.4.3選擇試驗機和引伸計
5.4.4確定試驗速率
5.5強度指標的測定
5.5.1上、下屈服強度的測定
5.5.2規(guī)定塑性延伸強度的測定
5.5.3規(guī)定總延伸強度的測定
5.5.4規(guī)定殘余延伸強度的測定
5.5.5抗拉強度的測定
5.6塑性指標的測定
5.6.1斷面收縮率Z
5.6.2斷后伸長率A
5.6.3斷裂總延伸率At
5.6.4最大力總延伸率和最大力塑性延伸率
5.6.5屈服點延伸率Ae
5.7彈性模量及泊松比的測定
5.7.1彈性模量的測定
5.7.2泊松比的測定
5.8應變硬化指數(shù)n值的測定
5.8.1真應力和真應變
5.8.2試驗原理
5.8.3試驗程序
5.9高、低溫拉伸試驗
5.9.1高溫拉伸試驗
5.9.2低溫拉伸試驗
*5.10管材、絲材及薄板的拉伸試驗
5.10.1金屬線材拉伸試驗
5.10.2金屬管材拉伸試驗
5.11試驗結果的分析處理表達
5.11.1試驗數(shù)據的分析處理
5.11.2試驗結果的數(shù)值修約
5.11.3試驗結果的表達
5.12影響拉伸試驗結果的主要因素
5.12.1試樣形狀、尺寸及表面粗糙度的影響
5.12.2試樣裝夾的影響
5.12.3試驗速度的影響
思考題
第6章金屬的硬度試驗
6.1布氏硬度
6.1.1試驗原理
6.1.2試驗規(guī)范及相似原理的應用
6.1.3試樣及試驗儀器
6.1.4技術要求和試驗操作要點
6.1.5試驗結果處理
6.1.6應用范圍及優(yōu)缺點
6.2洛氏硬度
6.2.1試驗原理
6.2.2試樣及試驗儀器
6.2.3技術要求和試驗操作要點
6.2.4試驗結果處理
6.2.5表面洛氏硬度
6.2.6應用范圍及優(yōu)缺點
6.3維氏硬度
6.3.1試驗原理及特點
6.3.2試樣及試驗儀器
6.3.3技術要求和試驗操作要點
6.3.4試驗結果處理
6.3.5應用范圍及優(yōu)缺點
6.4顯微硬度測定法
6.4.1維氏顯微硬度
6.4.2努氏顯微硬度
*6.5肖氏硬度
6.5.1試驗原理
6.5.2試樣及試驗儀器
6.5.3試驗操作要點
6.5.4試驗結果處理
6.5.5應用范圍及優(yōu)缺點
思考題
第7章金屬的沖擊試驗
7.1概述
7.1.1加載速度與變形速度
7.1.2沖擊載荷下金屬變形與斷裂的特點
7.1.3沖擊韌度的意義
7.1.4沖擊試驗的應用
7.2夏比擺錘沖擊試驗
7.2.1試驗原理
7.2.2沖擊試驗方法標準
7.2.3試樣設計與制備
7.2.4試驗設備
7.3室溫沖擊試驗
7.3.1試驗前的準備工作
7.3.2試驗操作步驟
7.3.3試驗結果的處理及表達
7.3.4影響沖擊試驗結果的主要因素
7.4高溫和低溫沖擊試驗
7.4.1高溫和低溫試驗裝置
7.4.2試樣定位
7.4.3試樣保溫時間
*7.4.4溫度補償
7.5其他沖擊試驗方法
7.5.1艾氏沖擊試驗方法
7.5.2落錘試驗方法
思考題
第8章金屬的壓縮、彎曲、扭轉和剪切試驗
8.1金屬壓縮試驗
8.1.1壓縮試驗的特點
8.1.2壓縮試驗原理
8.1.3試樣及設備
8.1.4壓縮力學性能測定
8.1.5壓縮試驗的破壞特征
8.2金屬彎曲力學性能試驗
8.2.1彎曲試驗的工程應用及特點
8.2.2彎曲試驗原理
8.2.3彎曲力學性能的測定
8.3金屬扭轉試驗
8.3.1扭轉試驗的特點及應用
8.3.2扭轉試驗的原理
8.3.3扭轉力學性能的測試
8.3.4扭轉力學性能指標的測定
8.3.5扭轉試樣的斷裂分析
8.4金屬剪切試驗
8.4.1剪切試驗的特點及應用
8.4.2剪切試驗的原理
8.4.3剪切力學性能的測試
思考題
第9章金屬的工藝性能試驗
9.1金屬彎曲工藝性能試驗
9.1.1試樣與試驗裝置
9.1.2試驗程序
9.1.3試驗報告
9.2金屬杯突工藝性能試驗
9.2.1試樣
9.2.2試驗設備
9.2.3試驗程序
9.2.4試驗報告
9.3金屬絲材扭轉工藝性能試驗
9.3.1試樣
9.3.2試驗設備
9.3.3試驗程序
9.3.4試驗報告
9.4金屬頂鍛工藝性能試驗
9.4.1試樣
9.4.2試驗設備
9.4.3試驗程序
9.4.4試驗報告
9.5金屬反復彎曲工藝性能試驗
9.5.1試樣
9.5.2試驗設備
9.5.3試驗程序
9.5.4試驗報告
9.6金屬線材纏繞工藝性能試驗
9.6.1試樣
9.6.2試驗設備
9.6.3試驗程序
9.6.4試驗報告
9.7金屬管材工藝性能試驗
9.7.1金屬管擴口試驗
9.7.2金屬管彎曲試驗
9.7.3金屬管卷邊試驗
9.7.4金屬管壓扁試驗
思考題
第10章復合材料的靜態(tài)力學性能試驗
10.1拉伸性能試驗
10.1.1試驗原理
10.1.2標準試驗方法
10.1.3試樣
10.1.4試驗設備和夾具
10.1.5試驗過程
10.1.6試驗數(shù)據處理與表達
10.2壓縮性能試驗
10.2.1試驗原理
10.2.2標準試驗方法分析
10.2.3試樣
10.2.4試驗設備和夾具
10.2.5試驗程序
10.2.6試驗數(shù)據處理與表達
10.3彎曲性能試驗
10.3.1試驗原理
10.3.2標準試驗方法
10.3.3彎曲試樣
10.3.4試驗設備和夾具
10.3.5試驗程序
10.3.6試驗數(shù)據處理與表達
10.4面內剪切性能試驗
10.4.1試驗原理
10.4.2標準試驗方法
10.4.3面內剪切試樣
10.4.4試驗機和應變測量裝置
10.4.5試驗程序
10.4.6試驗數(shù)據處理與表達
10.5層間剪切性能試驗
10.5.1試驗原理
10.5.2標準試驗方法
10.5.3層間剪切試樣
10.5.4試驗設備和夾具
10.5.5試驗程序
10.5.6試驗數(shù)據處理與表達
思考題
第3篇疲勞斷裂力學性能
第11章金屬的高周疲勞試驗
11.1基本概念
11.1.1疲勞破壞的特征
11.1.2循環(huán)載荷
11.1.3循環(huán)應力參數(shù)
11.1.4疲勞試驗的分類
11.1.5疲勞SN曲線
11.1.6疲勞極限
11.1.7高周疲勞標準試驗方法簡介
11.2試驗設備
11.2.1試驗機類型及特點
11.2.2疲勞試驗機
11.3疲勞試樣
11.3.1應力集中與應力集中系數(shù)
11.3.2試樣類型及設計原則
11.3.3試樣制備
11.4疲勞SN曲線的測試方法
11.4.1單點試驗法
11.4.2成組試驗法
11.4.3升降法
11.5試驗數(shù)據處理及表達
11.5.1疲勞SN曲線的數(shù)學模型
11.5.2疲勞試驗記錄
11.5.3疲勞SN曲線的繪制
*11.5.4等壽命曲線圖
*11.6成組對比試驗結果的顯著性檢驗
11.6.1F檢驗
11.6.2t檢驗
11.6.3疲勞對比試驗
*11.7PSN曲線
11.7.1基本概念
11.7.2PSN曲線的繪制
*11.8金屬的腐蝕疲勞試驗
11.8.1腐蝕疲勞及特點
11.8.2測試技術要點
11.9影響疲勞極限的因素
11.9.1合金成分與組織結構
11.9.2表面狀態(tài)與尺寸因素
思考題
第12章金屬的低周疲勞試驗
12.1基本概念
12.1.1滯后回線
12.1.2循環(huán)硬化和循環(huán)軟化
12.1.3循環(huán)應力應變曲線
12.1.4應變壽命曲線
12.1.5低周疲勞的特點
12.2低周疲勞性能的測試
12.2.1標準試驗方法
12.2.2試驗設備
12.2.3試樣與制備
12.2.4測試技術要點
12.2.5低周疲勞試驗的特點
12.3循環(huán)應力應變曲線的測定
12.3.1單試樣法
12.3.2多試樣法
12.3.3增級試驗法
12.4試驗數(shù)據的獲得、處理及表達
12.4.1試驗數(shù)據的獲得
12.4.2試驗數(shù)據的處理
12.4.3試驗結果的表達
*12.5金屬的熱疲勞
12.5.1熱疲勞現(xiàn)象
12.5.2熱疲勞試驗方法
*12.6金屬的熱機械疲勞
12.6.1熱機械疲勞現(xiàn)象
12.6.2試驗原理及力學行為模型
12.6.3熱機械疲勞試驗方法
*12.7金屬的疲勞蠕變試驗
思考題
第13章金屬的斷裂韌度試驗
13.1基本