航空材料性能与飞机设计思想的发展

航空装备（包括飞机和航空发动机）在高温、高速、腐蚀环境和复杂交变载荷下的工作条件十分恶劣复杂。军用飞机要求隐身、机动性强，具有近距离格斗和全天候作战能力；民用飞机要求安全性、可靠性、舒适性、经济性；大型军用运输机要求承载能力高、航程远、寿命长；直升机则要求灵活性好、安全可靠性高；相应的航空发动机要求具有大推重比、长寿命、高可靠性等特点。因此航空装备设计相对其他工程装备对材料性能的要求更苛刻，性能指标更先进，而且对飞机和发动机材料的性能要求也大不相同，甚至不同类型飞机的设计对材料性能要求的关注点也有所不同。

飞机设计对材料性能的要求与同一时期的飞机结构设计思想和科技水平密切相关。一个世纪以来，为了保证飞行安全，在飞机结构设计思想上经历了一个演变和发展的过程，逐步形成了当代比较成熟的三大设计概念：疲劳设计、损伤容限设计和耐久性设计。

1.疲劳设计

疲劳设计概念是基于飞机结构的安全寿命准则提出的。众所周知，早期的静强度设计的基本思想是只保证结构的强度和刚度，不考虑结构的寿命。后来，设计者从实践认识到飞机结构只按静强度和刚度要求设计，并不能很好地保证飞机的使用安全，在飞机结构设计中必须引入抗疲劳设计概念，从而逐步形成了安全寿命设计思想。该设计思想建立在结构无初始缺陷的基础上，要求结构设计成在预期使用寿命内不出现宏观可检查裂纹，一旦在疲劳关键部位出现宏观可检裂纹就认为结构已经破坏。飞机的安全寿命通过对材料、部件和全尺寸结构疲劳试验验证所确定的疲劳寿命除以一个分散系数来确定。安全寿命设计思想从20世纪50年代一直延续至今，逐步形成当今比较成熟的疲劳设计思想。疲劳设计所关心的是结构在疲劳载荷作用下的裂纹形成寿命，不考虑裂纹扩展寿命。它是通过安全寿命准则来确定飞机的使用寿命。

疲劳设计重点关注材料的疲劳性能，如高周疲劳性能（室温与高温疲劳S-N曲线、疲劳极限、具有不同存活率的P-S-N曲线），在弹塑性应力状态下的低周疲劳性能、飞行载荷谱下的疲劳寿命、超高周（10⁷～10⁹周）疲劳性能等。

2.损伤容限设计

损伤容限设计是基于断裂力学理论而提出的一种飞机结构设计理念。尽管安全寿命设计考虑了静强度设计中未考虑的疲劳问题，但仍然存在重大隐患。一方面，它既没有承认材料和结构在初始状态时就可能存在冶金缺陷和制造缺陷，也没有考虑结构在服役过程中因环境、过载或外来损伤等产生的裂纹，以及这些缺陷和裂纹在服役期间扩展这一事实，因而并不能有效地保证结构在使用寿命期间的安全性。另一方面，使用到了一个安全寿命期的飞机不论其状态如何都必须退役，所以这种做法又很不经济。

损伤容限设计思想的重大发展主要体现在：它允许结构在服役期内存在一定大小的缺陷或裂纹，只要这些裂纹在规定的维修使用期内，能满足规定的剩余强度水平，就判定为结构安全。也就是说结构应设计成能够容忍裂纹存在，并在给定的维修期内扩展，但以不导致结构断裂为准则。(www.xing528.com)

损伤容限设计关心的是带有某种初始缺陷或裂纹尺寸的结构在疲劳载荷作用下的裂纹扩展寿命、裂纹容限或剩余寿命。

损伤容限设计重点关注的材料力学性能主要有：断裂韧度K_ⅠC，恒幅或变幅载荷下疲劳裂纹扩展速率da/dN，疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th，在飞行载荷谱下的疲劳裂纹扩展寿命，疲劳小裂纹扩展速率da/dN等。

3.耐久性设计

耐久性设计是基于提高飞机的出勤率，降低安全寿命成本而提出的一种综合性的细节设计概念。随着对飞机使用性能、寿命及可靠性要求的提高，飞机研制成本、生产成本以及使用维修费用也急剧增加。为了提高飞机的出勤率，降低安全寿命成本，要求设计者在确定飞机寿命时应从经济观点出发进行量化，于是产生了耐久性设计概念。耐久性设计要求结构在规定的使用期限内，具有抵抗疲劳开裂（包括应力腐蚀开裂和氢脆所引起的开裂）、腐蚀、热退化、剥离、脱层、磨损和外来物损伤作用的能力及经济修理功能。并通过合理的细节设计、恰当地选择材料和制造工艺、控制应力水平、消除有害的残余应力以及选择必要的腐蚀防护措施等来提高结构细节的抗疲劳开裂和腐蚀开裂的能力，减缓材料退化和磨损等，以便防止功能性损伤和不经济的维修，使设计的飞机具有长寿命、高出勤率和低维修成本的能力。耐久性设计重点关注的是材料在工况使用条件下的抗疲劳性能，如腐蚀环境、不同表面状态下的抗疲劳性能、小裂纹性能等。

耐久性设计关心的是结构在疲劳载荷/环境条件下，出现影响结构功能而无修理价值裂纹时的经济寿命。因此在耐久性设计所需力学性能中，除一般静强度性能外，重点关注的是模拟使用条件下的材料力学性能，如不同腐蚀环境（如潮湿空气、盐雾、海水、盐雾+SO₂、油箱积水、燃气、燃油等）的高周疲劳、低周疲劳、裂纹扩展及应力腐蚀开裂等性能数据；不同表面强化工艺（如喷丸、孔挤压、滚压）、不同的焊接工艺（如氩弧焊、潜弧焊、电子束焊等）、不同涂层工艺的模拟件，在恒幅载荷、使用载荷谱或腐蚀环境下的疲劳、裂纹扩展性能数据。

表8-5 土地增值税纳税申报表