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第1篇 基础知识1

第1章 航空材料基础知识1

1.1 材料性能1

1.1.1 材料性能的分类1

1.1.2 材料性能与其成分、组织、工艺及结构设计的关系2

1.2 飞机设计思想的发展及对材料性能的要求3

1.3 航空主要金属结构材料的分类及应用5

1.3.1 结构钢和不锈钢5

1.3.2 高温合金7

1.3.3 铝合金9

1.3.4 钛合金11

1.4 复合材料概述12

1.4.1 复合材料的定义12

1.4.2 复合材料的组成13

1.4.3 复合材料的主要特点13

1.4.4 复合材料的分类14

1.4.5 复合材料的应用15

1.4.6 复合材料的基本力学性能16

1.5 力学性能试验取样与制备16

1.5.1 取样类型及取样原则16

1.5.2 试样轴线的标识方法18

1.5.3 试样的制备20

1.5.4 试样包装与防护20

1.6 力学性能试验方案设计21

1.6.1 试验方案策划21

1.6.2 试验方法与步骤22

1.6.3 试验质量控制23

1.6.4 数据处理方法及结果表达23

1.6.5 试验结果评估23

思考题24

第2章 金属的变形25

2.1 基本概念25

2.1.1 外力与内力25

2.1.2 变形的基本形式26

2.1.3 应力与应变26

2.1.4 应力状态的柔性系数28

2.2 金属的弹性变形29

2.2.1 弹性变形的特点29

2.2.2 胡克定律29

2.3 弹性模量30

2.3.1 弹性模量的物理意义30

2.3.2 影响弹性模量的因素31

2.3.3 金属的弹性与弹性比功32

2.4 金属的塑性变形33

2.5 金属的形变强化34

2.5.1 形变强化的工程意义34

2.5.2 形变强化曲线和形变强化指数34

2.5.3 影响形变强化的因素35

思考题36

第3章 金属的断裂与断口分析37

3.1 断裂的类型37

3.1.1 韧性断裂与脆性断裂37

3.1.2 穿晶断裂与沿晶断裂38

3.1.3 剪切断裂与解理断裂39

3.1.4 按受力状态和环境介质分类40

3.2 断口分析41

3.2.1 断口分析的内容41

3.2.2 断口分析的基本方法42

3.3 断口的宏观形貌特征43

3.3.1 静载荷下断口的宏观形貌特征43

3.3.2 冲击断口的宏观形貌特征47

3.3.3 疲劳断口的宏观形貌特征47

3.3.4 沿晶断裂的宏观形貌特征50

3.3.5 实际构件断口的宏观分析50

3.4 疲劳断裂的微观形貌特征51

3.4.1 疲劳裂纹扩展断口的微观形貌特征51

3.4.2 近门槛值扩展区断口的微观形貌特征53

3.4.3 低周疲劳断口的微观形貌特征54

3.4.4 腐蚀疲劳断口的微观形貌特征55

3.5 应力腐蚀与氢脆断口56

3.5.1 应力腐蚀断口的形貌特征56

3.5.2 氢脆断口的形貌特征57

思考题57

第4章 数据统计分析基础知识59

4.1 基本概念59

4.1.1 母体、个体和子样59

4.1.2 平均值和中值59

4.1.3 方差和标准差60

4.1.4 变异系数61

4.1.5 随机变量和概率密度函数61

4.1.6 分布函数和可靠度62

4.2 常用分布函数及其应用63

4.2.1 正态分布及其应用63

4.2.2 威布尔分布及其应用65

4.2.3 t分布及其应用66

4.2.4 x2分布及其应用68

4.2.5 F分布及其应用68

4.3 回归分析简介70

4.3.1 回归分析的基本概念70

4.3.2 一元线性回归分析70

4.4 数据基值简介71

4.4.1 -3σ基值71

4.4.2 A基值和B基值72

4.4.3 S基值72

4.4.4 典型基值73

4.4.5 数据基值表达设计许用值的使用原则73

4.5 数值修约73

4.5.1 数值修约规则73

4.5.2 修约间隔为非10n单位的修约74

4.5.3 界限数值的修约74

4.6 试验结果的测量不确定度简介75

4.6.1 测量不确定度的基本概念75

4.6.2 测量不确定度的评定方法76

4.6.3 测量不确定度的评定步骤76

4.6.4 测量不确定度的评定实例77

思考题80

第2篇 短时力学性能81

第5章 金属的拉伸试验81

5.1 基本概念81

5.1.1 拉伸图和应力-应变曲线81

5.1.2 拉伸过程的物理现象及性能指标83

5.1.3 拉伸试验标准的分析与比较86

5.2 试验设备88

5.2.1 拉力试验机88

5.2.2 引伸计88

5.2.3 高、低温试验装置89

5.3 拉伸试样91

5.3.1 比例试样91

5.3.2 试样的形状和尺寸91

5.3.3 试样的加工要求92

5.4 试验前的准备工作93

5.4.1 测量试样原始横截面积So93

5.4.2 标记原始标距Lo94

5.4.3 选择试验机和引伸计94

5.4.4 确定试验速率94

5.5 强度指标的测定94

5.5.1 上、下屈服强度的测定94

5.5.2 规定塑性延伸强度的测定96

5.5.3 规定总延伸强度的测定97

5.5.4 规定残余延伸强度的测定97

5.5.5 抗拉强度的测定99

5.6 塑性指标的测定99

5.6.1 断面收缩率Z99

5.6.2 断后伸长率A99

5.6.3 断裂总延伸率At100

5.6.4 最大力总延伸率和最大力塑性延伸率100

5.6.5 屈服点延伸率Ae101

5.7 弹性模量及泊松比的测定101

5.7.1 弹性模量的测定102

5.7.2 泊松比的测定103

5.8 应变硬化指数n值的测定104

5.8.1 真应力和真应变104

5.8.2 试验原理104

5.8.3 试验程序105

5.9 高、低温拉伸试验105

5.9.1 高温拉伸试验105

5.9.2 低温拉伸试验106

5.10 管材、丝材及薄板的拉伸试验107

5.10.1 金属线材拉伸试验107

5.10.2 金属管材拉伸试验108

5.11 试验结果的分析处理表达108

5.11.1 试验数据的分析处理108

5.11.2 试验结果的数值修约109

5.11.3 试验结果的表达109

5.12 影响拉伸试验结果的主要因素109

5.12.1 试样形状、尺寸及表面粗糙度的影响109

5.12.2 试样装夹的影响109

5.12.3 试验速度的影响110

思考题110

第6章 金属的硬度试验112

6.1 布氏硬度112

6.1.1 试验原理112

6.1.2 试验规范及相似原理的应用114

6.1.3 试样及试验仪器116

6.1.4 技术要求和试验操作要点117

6.1.5 试验结果处理118

6.1.6 应用范围及优缺点118

6.2 洛氏硬度118

6.2.1 试验原理119

6.2.2 试样及试验仪器121

6.2.3 技术要求和试验操作要点123

6.2.4 试验结果处理124

6.2.5 表面洛氏硬度124

6.2.6 应用范围及优缺点125

6.3 维氏硬度125

6.3.1 试验原理及特点126

6.3.2 试样及试验仪器127

6.3.3 技术要求和试验操作要点128

6.3.4 试验结果处理128

6.3.5 应用范围及优缺点129

6.4 显微硬度测定法129

6.4.1 维氏显微硬度129

6.4.2 努氏显微硬度130

6.5 肖氏硬度130

6.5.1 试验原理130

6.5.2 试样及试验仪器131

6.5.3 试验操作要点132

6.5.4 试验结果处理132

6.5.5 应用范围及优缺点132

思考题132

第7章 金属的冲击试验134

7.1 概述134

7.1.1 加载速度与变形速度134

7.1.2 冲击载荷下金属变形与断裂的特点135

7.1.3 冲击韧度的意义136

7.1.4 冲击试验的应用137

7.2 夏比摆锤冲击试验138

7.2.1 试验原理138

7.2.2 冲击试验方法标准139

7.2.3 试样设计与制备140

7.2.4 试验设备141

7.3 室温冲击试验143

7.3.1 试验前的准备工作143

7.3.2 试验操作步骤143

7.3.3 试验结果的处理及表达144

7.3.4 影响冲击试验结果的主要因素144

7.4 高温和低温冲击试验145

7.4.1 高温和低温试验装置146

7.4.2 试样定位146

7.4.3 试样保温时间147

7.4.4 温度补偿147

7.5 其他冲击试验方法147

7.5.1 艾氏冲击试验方法147

7.5.2 落锤试验方法148

思考题149

第8章 金属的压缩、弯曲、扭转和剪切试验150

8.1 金属压缩试验150

8.1.1 压缩试验的特点150

8.1.2 压缩试验原理150

8.1.3 试样及设备151

8.1.4 压缩力学性能测定153

8.1.5 压缩试验的破坏特征157

8.2 金属弯曲力学性能试验158

8.2.1 弯曲试验的工程应用及特点158

8.2.2 弯曲试验原理158

8.2.3 弯曲力学性能的测定162

8.3 金属扭转试验167

8.3.1 扭转试验的特点及应用167

8.3.2 扭转试验的原理167

8.3.3 扭转力学性能的测试169

8.3.4 扭转力学性能指标的测定170

8.3.5 扭转试样的断裂分析172

8.4 金属剪切试验172

8.4.1 剪切试验的特点及应用172

8.4.2 剪切试验的原理173

8.4.3 剪切力学性能的测试173

思考题178

第9章 金属的工艺性能试验179

9.1 金属弯曲工艺性能试验179

9.1.1 试样与试验装置179

9.1.2 试验程序181

9.1.3 试验报告181

9.2 金属杯突工艺性能试验181

9.2.1 试样181

9.2.2 试验设备182

9.2.3 试验程序183

9.2.4 试验报告183

9.3 金属丝材扭转工艺性能试验183

9.3.1 试样184

9.3.2 试验设备184

9.3.3 试验程序184

9.3.4 试验报告185

9.4 金属顶锻工艺性能试验185

9.4.1 试样185

9.4.2 试验设备186

9.4.3 试验程序186

9.4.4 试验报告186

9.5 金属反复弯曲工艺性能试验186

9.5.1 试样186

9.5.2 试验设备187

9.5.3 试验程序188

9.5.4 试验报告189

9.6 金属线材缠绕工艺性能试验189

9.6.1 试样189

9.6.2 试验设备189

9.6.3 试验程序190

9.6.4 试验报告190

9.7 金属管材工艺性能试验190

9.7.1 金属管扩口试验190

9.7.2 金属管弯曲试验191

9.7.3 金属管卷边试验192

9.7.4 金属管压扁试验193

思考题194

第10章 复合材料的静态力学性能试验195

10.1 拉伸性能试验195

10.1.1 试验原理195

10.1.2 标准试验方法195

10.1.3 试样195

10.1.4 试验设备和夹具196

10.1.5 试验过程197

10.1.6 试验数据处理与表达198

10.2 压缩性能试验199

10.2.1 试验原理199

10.2.2 标准试验方法分析200

10.2.3 试样202

10.2.4 试验设备和夹具204

10.2.5 试验程序204

10.2.6 试验数据处理与表达205

10.3 弯曲性能试验206

10.3.1 试验原理206

10.3.2 标准试验方法206

10.3.3 弯曲试样206

10.3.4 试验设备和夹具207

10.3.5 试验程序207

10.3.6 试验数据处理与表达208

10.4 面内剪切性能试验210

10.4.1 试验原理210

10.4.2 标准试验方法210

10.4.3 面内剪切试样211

10.4.4 试验机和应变测量装置212

10.4.5 试验程序212

10.4.6 试验数据处理与表达212

10.5 层间剪切性能试验213

10.5.1 试验原理213

10.5.2 标准试验方法213

10.5.3 层间剪切试样214

10.5.4 试验设备和夹具215

10.5.5 试验程序215

10.5.6 试验数据处理与表达215

思考题216

第3篇 疲劳断裂力学性能217

第11章 金属的高周疲劳试验217

11.1 基本概念217

11.1.1 疲劳破坏的特征217

11.1.2 循环载荷218

11.1.3 循环应力参数218

11.1.4 疲劳试验的分类219

11.1.5 疲劳S-N曲线219

11.1.6 疲劳极限220

11.1.7 高周疲劳标准试验方法简介220

11.2 试验设备220

11.2.1 试验机类型及特点220

11.2.2 疲劳试验机221

11.3 疲劳试样221

11.3.1 应力集中与应力集中系数221

11.3.2 试样类型及设计原则222

11.3.3 试样制备224

11.4 疲劳S-N曲线的测试方法224

11.4.1 单点试验法224

11.4.2 成组试验法225

11.4.3 升降法226

11.5 试验数据处理及表达228

11.5.1 疲劳S-N曲线的数学模型228

11.5.2 疲劳试验记录228

11.5.3 疲劳S-N曲线的绘制228

11.5.4 等寿命曲线图229

11.6 成组对比试验结果的显著性检验230

11.6.1 F检验230

11.6.2 t检验230

11.6.3 疲劳对比试验230

11.7 P-S-N曲线232

11.7.1 基本概念232

11.7.2 P-S-N曲线的绘制232

11.8 金属的腐蚀疲劳试验234

11.8.1 腐蚀疲劳及特点234

11.8.2 测试技术要点235

11.9 影响疲劳极限的因素235

11.9.1 合金成分与组织结构235

11.9.2 表面状态与尺寸因素236

思考题236

第12章 金属的低周疲劳试验238

12.1 基本概念238

12.1.1 滞后回线239

12.1.2 循环硬化和循环软化240

12.1.3 循环应力-应变曲线241

12.1.4 应变-寿命曲线242

12.1.5 低周疲劳的特点243

12.2 低周疲劳性能的测试243

12.2.1 标准试验方法243

12.2.2 试验设备244

12.2.3 试样与制备245

12.2.4 测试技术要点247

12.2.5 低周疲劳试验的特点249

12.3 循环应力-应变曲线的测定249

12.3.1 单试样法249

12.3.2 多试样法250

12.3.3 增级试验法250

12.4 试验数据的获得、处理及表达250

12.4.1 试验数据的获得250

12.4.2 试验数据的处理250

12.4.3 试验结果的表达252

12.5 金属的热疲劳252

12.5.1 热疲劳现象252

12.5.2 热疲劳试验方法253

12.6 金属的热-机械疲劳254

12.6.1 热-机械疲劳现象254

12.6.2 试验原理及力学行为模型254

12.6.3 热-机械疲劳试验方法255

12.7 金属的疲劳-蠕变试验256

思考题256

第13章 金属的断裂韧度试验257

13.1 基本概念258

13.1.1 断裂韧度及其表征参量258

13.1.2 裂纹的基本形式258

13.1.3 线弹性断裂力学的几个基本概念259

13.1.4 线弹性断裂韧度参量：KIc，KR、Kc和Kapp262

13.1.5 裂纹扩展能量释放率GI264

13.1.6 弹塑性状态下的断裂韧度266

13.1.7 断裂韧度的测试方法267

13.1.8 断裂韧度的测试意义268

13.2 金属平面应变断裂韧度KIc的测定268

13.2.1 试验原理268

13.2.2 试样269

13.2.3 试验设备270

13.2.4 试验程序272

13.2.5 试验数据的处理及表达273

13.3 金属平面应力断裂韧度Kc及KR-△a曲线的测定274

13.3.1 试验原理274

13.3.2 试样275

13.3.3 试验装置275

13.3.4 有效裂纹尺寸的获取方法275

13.3.5 试验程序277

13.3.6 试验数据的处理及表达277

13.4 金属延性断裂韧度JIc及JR-△a曲线的测定278

13.4.1 试验原理279

13.4.2 试样279

13.4.3 试验装置280

13.4.4 试验程序280

13.4.5 试验数据的处理及表达282

13.5 金属板材表面裂纹断裂韧度KIE的测定286

13.5.1 试验原理286

13.5.2 试样286

13.5.3 试验装置286

13.5.4 试验程序288

13.5.5 试验数据的处理与表达288

思考题289

第14章 金属的疲劳裂纹扩展速率试验290

14.1 疲劳裂纹的形成与扩展290

14.1.1 疲劳破坏的特点290

14.1.2 疲劳裂纹的形成和断裂过程291

14.1.3 疲劳裂纹萌生机制291

14.1.4 疲劳裂纹扩展的微观特征293

14.2 疲劳裂纹扩展速率da/dN-△K曲线295

14.2.1 应力强度因子K和应力强度因子幅△K296

14.2.2 疲劳裂纹扩展速率da/dN296

14.2.3 疲劳裂纹扩展da/dN-△K曲线和门槛值△Kth297

14.2.4 描述da/dN-△K曲线的公式297

14.3 疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素298

14.3.1 微观织构的影响298

14.3.2 应力比的影响299

14.3.3 加载频率的影响300

14.3.4 厚度的影响301

14.3.5 超载的影响302

14.3.6 环境的影响302

14.4 疲劳裂纹扩展的阻滞304

14.4.1 裂纹闭合阻滞304

14.4.2 载荷相互作用阻滞306

14.5 疲劳裂纹扩展速率试验308

14.5.1 疲劳裂纹扩展速率试验分类308

14.5.2 试样及试验设备308

14.5.3 裂纹长度测量方法311

14.5.4 试验方法要点313

14.5.5 试验数据的处理及测试报告315

14.6 疲劳裂纹扩展门槛值△Kth的测定318

14.6.1 试验原理318

14.6.2 降K试验319

14.6.3 增K试验321

14.6.4 门槛值△Kth的确定及测试报告321

14.7 谱载疲劳裂纹扩展速率试验321

14.7.1 试验方法要点321

14.7.2 试验结果表达322

14.8 腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验323

14.8.1 试样323

14.8.2 腐蚀试验装置323

14.8.3 试验方法要点325

14.8.4 试验结果表达325

14.9 疲劳小裂纹扩展速率试验326

14.9.1 小裂纹效应326

14.9.2 试样327

14.9.3 小裂纹长度监测方法328

14.9.4 试验方法要点329

14.9.5 试验结果表达329

14.9.6 小结329

思考题330

第15章 非金属材料的疲劳、断裂和冲击性能试验332

15.1 复合材料的疲劳试验332

15.1.1 复合材料疲劳断裂的基本概念332

15.1.2 复合材料疲劳试验的标准试验方法334

15.1.3 复合材料的拉伸疲劳试验334

15.2 有机玻璃的疲劳试验336

15.2.1 有机玻璃疲劳试验的特点336

15.2.2 有机玻璃疲劳的标准试验方法336

15.2.3 有机玻璃的拉伸疲劳试验337

15.3 复合材料的层间断裂韧性试验339

15.3.1 层间断裂韧性试验基础339

15.3.2 Ⅰ型层间断裂韧性试验339

15.3.3 Ⅱ型层间断裂韧性试验340

15.4 复合材料的冲击后压缩试验（CAI）342

15.4.1 试验原理342

15.4.2 CAI标准试验方法342

15.4.3 试样342

15.4.4 试验设备和夹具344

15.4.5 试验程序344

15.4.6 试验数据的处理与表达345

思考题345

第4篇 长时力学性能346

第16章 金属的持久和蠕变性能试验346

16.1 基本概念346

16.1.1 蠕变的定义346

16.1.2 蠕变曲线347

16.1.3 蠕变曲线数学表达式348

16.1.4 持久和蠕变性能的表征参量349

16.1.5 金属蠕变的变形和断裂机制351

16.2 金属持久和蠕变性能的测试方法354

16.2.1 标准试验方法分析与比较354

16.2.2 试验方案设计355

16.2.3 持久性能的测定356

16.2.4 蠕变性能的测定360

16.3 影响持久和蠕变性能的主要因素363

16.3.1 金属内部组织结构的影响363

16.3.2 工艺因素的影响365

16.3.3 试验因素的影响366

16.4 持久和蠕变寿命的预测方法367

16.4.1 寿命预测方法367

16.4.2 持久和蠕变热强综合参数曲线方程的选择370

16.5 试验数据的处理及表达371

16.5.1 试验数据的处理371

16.5.2 试验数据的表达373

思考题375

第17章 金属的氢脆试验377

17.1 氢脆试验航标与美国ASTM标准的比较377

17.2 氢脆试验方法378

附录380

附录A 金属材料国内外常用力学性能及工艺性能试验标准方法目录380

附录B 有机玻璃国内力学性能试验标准方法目录382

附录C 复合材料国内外力学性能试验标准方法目录383

附录D 金属材料性能测试国家标准与航空标准相关术语、符号差异表384

附录E 复合材料性能测试美国ASTM标准和国家标准相关术语、符号差异表386

附录F 标准正态分布函数数值表388

附录G F分布单侧分位数值表（α/2=0.05和α/2=0.025）389

附录H t分布单侧分位数值表393

附录I x2分布单侧分位数值表394

附录J 置信度γ=95％和γ=90％的最少有效试样个数表（可靠度P=50％，误差限度δ=±5％）395

附录K 相关系数检验表396

参考文献397