Выбор материала конструкции

При выборе материала конструкции необходимо учитывать целый ряд факторов: стоимость материала, возможность применения высокопроизводительных процессов обработки, однородность, неизменность механических свойств во всем возможном при эксплуатации диапазоне температур, долговечность. Однако наибольшее внимание при выборе материала должно уделяться обеспечению необходимой прочности и жесткости конструкции при наименьшей массе.

Критерием, связывающим прочность и массу и позволяющим, следовательно, сравнивать различные материалы, является удельная прочность.

Масса детали, имеющей площадь поперечного сечения , длину и выполненной из материала с плотностью будет

Площадь определяется действующей нагрузкой и допускаемым напряжением при рассматриваемом виде деформации. Так, при растяжении силой потребная площадь сечения детали

, где – предел прочности материала при растяжении.

Подставив в выражение для , получим: .

Отношение носит название удельной прочности при растяжении.

Для каждого вида деформации есть свои выражения для удельной прочности. Чем выше значение удельной прочности, тем меньше масса детали.

Критерием, связывающим жесткость и массу, является удельная жесткость – отношение модуля упругости

к плотности

В настоящее время в самолетостроении основными конструкционными материалами являются высокопрочные магниевые и алюминиевые сплавы, легированные стали и титановые сплавы. В последнее время начали широко внедряться композиционные материалы.

При выборе материала необходимо учитывать температурные условия, в которых работает конструкция. С ростом температуры удельная прочность и удельная жесткость материалов падают.

В таблице, приведённой ниже, приведены характеристики удельной прочности и удельной жесткости магниевых, алюминиевых, титановых сплавов и сталей.

При температурах до основными конструкционными материалами являются высокопрочные алюминиевые сплавы.

Из них изготовляются обшивка, лонжероны, стрингеры, нервюры, шпангоуты, различные кронштейны. Большие по размерам нагруженные детали – кронштейны, корпусы колес и т.п., а также многие детали управления изготавливаются из магниевых сплавов. Сильно нагруженные детали шасси, узлы крепления агрегатов, пояса лонжеронов в корневых сечениях и т.п. изготовляются из легированных высококачественных сталей.

Применение титановых сплавов в этом диапазоне температур, несмотря на их высокую удельную прочность, не является целесообразным из-за их относительно высокой стоимости.

При температурах лучшими конструкционными материалами являются титановые сплавы, а при температурах до – жаропрочные стали.

На рисунке приведены зависимости от температуры для пяти применяемых в самолетостроении материалов: алюминиевого сплава Д16Т, легированных сталей 30ХГСА и 30ХГСНА, коррозионно-стойкой жаропрочной стали Х18Н9Т и титанового сплава ВТ6.

Применение композиционных материалов в конструкции позволяет значительно снизить ее массу.

Композиционные материалы (композиты) образуются материалом, непрерывно распределенным по объему и называемым матрицей, и материалом распределенным по объему с выраженными границами, называемым армирующим. Главное достоинство композитов заключается в том, что они позволяют создавать изделия более прочные и легкие, чем из металлов. В силовых конструкциях это удается сделать за счет их более высокой удельной прочности, а в несиловых – благодаря их меньшей плотности.

В конструкции самолетов наибольшее применение получили композиты с армированием волокнами материалов, обладающих высокой удельной прочностью и жесткостью. В качестве матрицы используются чаще всего искусственные смолы. Материалы с матрицей из искусственных полимерных смол называются полимерными композиционными материалами.

Армирующие волокна изготавливаются из стекла, углерода, бора и других природных и искусственных материалов.

Удельные механические характеристики лучших композиционных материалов в несколько раз превышают соответствующие характеристики металлов и их сплавов. Применение этих материалов в конструкции агрегатов самолетов и их элементов, нагруженных большими удельными нагрузками, позволяет существенно снизить массу и увеличить жест­кость конструкции.

Путем соответствующей ориентации расположения волокон из различных материалов в слоях, образующих композиционный материал, можно варьировать необходимые прочностные и упругие его свойства в заданном направлении.

Применение композиционных материалов с более высокими, чем у металлов, механическими свойствами позволяет уменьшить на 20...40% массу конструкции, повысить жесткость конструкции в нужном направлении и таким образом улучшить аэроупругие характеристики конструкции.

Сочетание композиционных материалов с металлом позволяет воспринимать сдвигающие нагрузки, которые плохо переносит полимерная матрица.

Однако композиционные материалы имеют ряд существенных недостатков:

– высокая стоимость материала;

– большой разброс механических характеристик;

– уменьшенная прочность в поперечном направлении однонаправленных материалов;

– снижение прочности при укладке слоев волокон под разными углами;

– повышенная чувствительность к концентраторам напряжений (к отверстиям для механического крепежа, производственным дефектам и эксплуатационным повреждениям);

– снижение прочности при наличии влаги в полимерной матрице;

– возможность нарушения сплошности материала из-за появления и развития трещин в матрице.

В настоящее время начинают широко использоваться в самолетостроении волокна стекла, углерода, бора и некоторых других материалов в соединении с так называемой матрицей, в качестве которой используются искусственные смолы, алюминий, магний, титан или их сплавы.

Материалы с матрицей из искусственных смол носят название полимерных композиционных материалов. Из этих материалов в конструкции самолетов нашли применение стекло-, угле- и боропластики.

Характеристики этих материалов (при растяжении в направлении волокон) приведены в таблице.

Стеклопластики целесообразно использовать для деталей конструкционного назначения, работающих преимущественно на растяжение при температурах, не превышающих 100...150 . Из них можно изготовлять лонжероны, нервюры и обшивку триммеров, сервокомпенсаторов, небольших по размеру элеронов и рулей и т.п.

Углепластики обладают высоким модулем упругости, превышающим модуль упругости алюминиевых сплавов примерно в два раза. Из них изготовляют обшивку, панели, подкрепляющие элементы силового набора планера самолета. Такие конструкции работают надежно в диапазоне температур до 200 , а некоторые углепластики сохраняют высокие прочностные характеристики и до 300 .

Из полимерных материалов самыми высокими прочностными и жесткостными характеристиками обладают боропластики. Модуль упругости боропластиков в 3,0...3,5 раза превышает модуль упругости алюминиевых сплавов. Кроме того, боропластики имеют высокий предел динамической и статической выносливости, повышенную тепло- и электропроводность. В сравнении с углепластиками они обладают повышенной (в 2,0...2,5 раза) прочностью при сжатии. Из боро­пластиков изготовляют панели обшивки, элементы силового набора, они используются для подкрепления металлических силовых элементов – лонжеронов, силовых нервюр, панелей и т.п. Боропластики сохраняют высокие механические характеристики до 200...300 .

К недостаткам угле- и боропластиков следует отнести сравнительно низкие значения удельной вязкости и прочности при сдвиге.

Очень высокие механические характеристики имеют и композиционные материалы на основе металлов, армированных волокнами углерода и бора. Так, композиционные материалы с алюминиевой матрицей и бороволокном с плотностью = 2,6...2,7 г/см3 имеют предел прочности при растяжении= 1100...1200 МПа и модуль упругости Е = 220...240 ГПа.

Величина их удельной прочности = 410...450 более чем в два раза превышает этот показатель для алюминиевых сплавов, а диапазон температуры, при которой они сохраняют свои характеристики, повышается до 450 . Кроме того, металлическая матрица в отличие от полимерной хорошо воспринимает сдвигающие нагрузки.

Широкое использование композиционных материалов, особенно на основе бороволокна, ограничивается их пока высокой стоимостью.