航空材料力学性能检测

《航空材料力学性能检测》是23位一线检测人员实际检测经验的总结，主要包括力学公共知识、金属材料、复合材料的疲劳断裂、持久蠕变、短时力学四大类检测方法。主要以对航空材料的要求来介绍检测方法，其中检测方法也同样适用于其他工业行业。 

《航空材料力学性能检测》是航空工业力学性能检测人员的培训教材。全书共4篇17章：基础知识篇包括航空材料基础知识、金属的变形、金属的断裂与断口分析和数据统计分析基础知识；短时力学性能篇包括金属的拉伸、硬度、冲击、压缩、弯曲、扭转、剪切和工艺性能试验以及复合材料的短时力学性能试验；疲劳断裂力学性能篇包括金属的高周疲劳、低周疲劳、断裂韧度和裂纹扩展速率试验以及非金属材料的疲劳、断裂和冲击性能试验；长时力学性能篇包括金属的持久和蠕变性能及氢脆试验。

序言
前言
第1篇基 础 知 识
第1章航空材料基础知识
1.1材料性能
1.1.1材料性能的分类
1.1.2材料性能与其成分、组织、工艺及结构设计的关系
1.2飞机设计思想的发展及对材料性能的要求
1.3航空主要金属结构材料的分类及应用
1.3.1结构钢和不锈钢
1.3.2高温合金
1.3.3铝合金
1.3.4钛合金
1.4复合材料概述
1.4.1复合材料的定义
1.4.2复合材料的组成
1.4.3复合材料的主要特点
1.4.4复合材料的分类
1.4.5复合材料的应用
1.4.6复合材料的基本力学性能
1.5力学性能试验取样与制备
1.5.1取样类型及取样原则
1.5.2试样轴线的标识方法
1.5.3试样的制备
1.5.4试样包装与防护
1.6力学性能试验方案设计
1.6.1试验方案策划
1.6.2试验方法与步骤
1.6.3试验质量控制
1.6.4数据处理方法及结果表达
1.6.5试验结果评估
思考题
第2章金属的变形
2.1基本概念
2.1.1外力与内力
2.1.2变形的基本形式
2.1.3应力与应变
*2.1.4应力状态的柔性系数
2.2金属的弹性变形
2.2.1弹性变形的特点
2.2.2胡克定律
2.3弹性模量
2.3.1弹性模量的物理意义
2.3.2影响弹性模量的因素
2.3.3金属的弹性与弹性比功
2.4金属的塑性变形
2.5金属的形变强化
2.5.1形变强化的工程意义
2.5.2形变强化曲线和形变强化指数
2.5.3影响形变强化的因素
思考题
第3章金属的断裂与断口分析
3.1断裂的类型
3.1.1韧性断裂与脆性断裂
3.1.2穿晶断裂与沿晶断裂
3.1.3剪切断裂与解理断裂
3.1.4按受力状态和环境介质分类
3.2断口分析
3.2.1断口分析的内容
3.2.2断口分析的基本方法
3.3断口的宏观形貌特征
3.3.1静载荷下断口的宏观形貌特征
3.3.2冲击断口的宏观形貌特征
3.3.3疲劳断口的宏观形貌特征
3.3.4沿晶断裂的宏观形貌特征
3.3.5实际构件断口的宏观分析
3.4疲劳断裂的微观形貌特征
3.4.1疲劳裂纹扩展断口的微观形貌特征
3.4.2近门槛值扩展区断口的微观形貌特征
3.4.3低周疲劳断口的微观形貌特征
3.4.4腐蚀疲劳断口的微观形貌特征
*3.5应力腐蚀与氢脆断口
3.5.1应力腐蚀断口的形貌特征
3.5.2氢脆断口的形貌特征
思考题
第4章 航空材料力学性能检测目录第4章数据统计分析基础知识
4.1基本概念
4.1.1母体、个体和子样
4.1.2平均值和中值
4.1.3方差和标准差
4.1.4变异系数
4.1.5随机变量和概率密度函数
4.1.6分布函数和可靠度
4.2常用分布函数及其应用
4.2.1正态分布及其应用
4.2.2威布尔分布及其应用
4.2.3t分布及其应用
4.2.4χ2分布及其应用
4.2.5F分布及其应用
4.3回归分析简介
4.3.1回归分析的基本概念
4.3.2一元线性回归分析
4.4数据基值简介
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数据基值表达设计许用值的使用原则
4.5数值修约
4.5.1数值修约规则
4.5.2修约间隔为非10n单位的修约
4.5.3界限数值的修约
4.6试验结果的测量不确定度简介
4.6.1测量不确定度的基本概念
4.6.2测量不确定度的评定方法
4.6.3测量不确定度的评定步骤
4.6.4测量不确定度的评定实例
思考题
第2篇短时力学性能
第5章金属的拉伸试验
5.1基本概念
5.1.1拉伸图和应力应变曲线
5.1.2拉伸过程的物理现象及性能指标
5.1.3拉伸试验标准的分析与比较
5.2试验设备
5.2.1拉力试验机
5.2.2引伸计
5.2.3高、低温试验装置
5.3拉伸试样
5.3.1比例试样
5.3.2试样的形状和尺寸
5.3.3试样的加工要求
5.4试验前的准备工作
5.4.1测量试样原始横截面积So
5.4.2标记原始标距Lo
5.4.3选择试验机和引伸计
5.4.4确定试验速率
5.5强度指标的测定
5.5.1上、下屈服强度的测定
5.5.2规定塑性延伸强度的测定
5.5.3规定总延伸强度的测定
5.5.4规定残余延伸强度的测定
5.5.5抗拉强度的测定
5.6塑性指标的测定
5.6.1断面收缩率Z
5.6.2断后伸长率A
5.6.3断裂总延伸率At
5.6.4最大力总延伸率和最大力塑性延伸率
5.6.5屈服点延伸率Ae
5.7弹性模量及泊松比的测定
5.7.1弹性模量的测定
5.7.2泊松比的测定
5.8应变硬化指数n值的测定
5.8.1真应力和真应变
5.8.2试验原理
5.8.3试验程序
5.9高、低温拉伸试验
5.9.1高温拉伸试验
5.9.2低温拉伸试验
*5.10管材、丝材及薄板的拉伸试验
5.10.1金属线材拉伸试验
5.10.2金属管材拉伸试验
5.11试验结果的分析处理表达
5.11.1试验数据的分析处理
5.11.2试验结果的数值修约
5.11.3试验结果的表达
5.12影响拉伸试验结果的主要因素
5.12.1试样形状、尺寸及表面粗糙度的影响
5.12.2试样装夹的影响
5.12.3试验速度的影响
思考题
第6章金属的硬度试验
6.1布氏硬度
6.1.1试验原理
6.1.2试验规范及相似原理的应用
6.1.3试样及试验仪器
6.1.4技术要求和试验操作要点
6.1.5试验结果处理
6.1.6应用范围及优缺点
6.2洛氏硬度
6.2.1试验原理
6.2.2试样及试验仪器
6.2.3技术要求和试验操作要点
6.2.4试验结果处理
6.2.5表面洛氏硬度
6.2.6应用范围及优缺点
6.3维氏硬度
6.3.1试验原理及特点
6.3.2试样及试验仪器
6.3.3技术要求和试验操作要点
6.3.4试验结果处理
6.3.5应用范围及优缺点
6.4显微硬度测定法
6.4.1维氏显微硬度
6.4.2努氏显微硬度
*6.5肖氏硬度
6.5.1试验原理
6.5.2试样及试验仪器
6.5.3试验操作要点
6.5.4试验结果处理
6.5.5应用范围及优缺点
思考题
第7章金属的冲击试验
7.1概述
7.1.1加载速度与变形速度
7.1.2冲击载荷下金属变形与断裂的特点
7.1.3冲击韧度的意义
7.1.4冲击试验的应用
7.2夏比摆锤冲击试验
7.2.1试验原理
7.2.2冲击试验方法标准
7.2.3试样设计与制备
7.2.4试验设备
7.3室温冲击试验
7.3.1试验前的准备工作
7.3.2试验操作步骤
7.3.3试验结果的处理及表达
7.3.4影响冲击试验结果的主要因素
7.4高温和低温冲击试验
7.4.1高温和低温试验装置
7.4.2试样定位
7.4.3试样保温时间
*7.4.4温度补偿
7.5其他冲击试验方法
7.5.1艾氏冲击试验方法
7.5.2落锤试验方法
思考题
第8章金属的压缩、弯曲、扭转和剪切试验
8.1金属压缩试验
8.1.1压缩试验的特点
8.1.2压缩试验原理
8.1.3试样及设备
8.1.4压缩力学性能测定
8.1.5压缩试验的破坏特征
8.2金属弯曲力学性能试验
8.2.1弯曲试验的工程应用及特点
8.2.2弯曲试验原理
8.2.3弯曲力学性能的测定
8.3金属扭转试验
8.3.1扭转试验的特点及应用
8.3.2扭转试验的原理
8.3.3扭转力学性能的测试
8.3.4扭转力学性能指标的测定
8.3.5扭转试样的断裂分析
8.4金属剪切试验
8.4.1剪切试验的特点及应用
8.4.2剪切试验的原理
8.4.3剪切力学性能的测试
思考题
第9章金属的工艺性能试验
9.1金属弯曲工艺性能试验
9.1.1试样与试验装置
9.1.2试验程序
9.1.3试验报告
9.2金属杯突工艺性能试验
9.2.1试样
9.2.2试验设备
9.2.3试验程序
9.2.4试验报告
9.3金属丝材扭转工艺性能试验
9.3.1试样
9.3.2试验设备
9.3.3试验程序
9.3.4试验报告
9.4金属顶锻工艺性能试验
9.4.1试样
9.4.2试验设备
9.4.3试验程序
9.4.4试验报告
9.5金属反复弯曲工艺性能试验
9.5.1试样
9.5.2试验设备
9.5.3试验程序
9.5.4试验报告
9.6金属线材缠绕工艺性能试验
9.6.1试样
9.6.2试验设备
9.6.3试验程序
9.6.4试验报告
9.7金属管材工艺性能试验
9.7.1金属管扩口试验
9.7.2金属管弯曲试验
9.7.3金属管卷边试验
9.7.4金属管压扁试验
思考题
第10章复合材料的静态力学性能试验
10.1拉伸性能试验
10.1.1试验原理
10.1.2标准试验方法
10.1.3试样
10.1.4试验设备和夹具
10.1.5试验过程
10.1.6试验数据处理与表达
10.2压缩性能试验
10.2.1试验原理
10.2.2标准试验方法分析
10.2.3试样
10.2.4试验设备和夹具
10.2.5试验程序
10.2.6试验数据处理与表达
10.3弯曲性能试验
10.3.1试验原理
10.3.2标准试验方法
10.3.3弯曲试样
10.3.4试验设备和夹具
10.3.5试验程序
10.3.6试验数据处理与表达
10.4面内剪切性能试验
10.4.1试验原理
10.4.2标准试验方法
10.4.3面内剪切试样
10.4.4试验机和应变测量装置
10.4.5试验程序
10.4.6试验数据处理与表达
10.5层间剪切性能试验
10.5.1试验原理
10.5.2标准试验方法
10.5.3层间剪切试样
10.5.4试验设备和夹具
10.5.5试验程序
10.5.6试验数据处理与表达
思考题
第3篇疲劳断裂力学性能
第11章金属的高周疲劳试验
11.1基本概念
11.1.1疲劳破坏的特征
11.1.2循环载荷
11.1.3循环应力参数
11.1.4疲劳试验的分类
11.1.5疲劳SN曲线
11.1.6疲劳极限
11.1.7高周疲劳标准试验方法简介
11.2试验设备
11.2.1试验机类型及特点
11.2.2疲劳试验机
11.3疲劳试样
11.3.1应力集中与应力集中系数
11.3.2试样类型及设计原则
11.3.3试样制备
11.4疲劳SN曲线的测试方法
11.4.1单点试验法
11.4.2成组试验法
11.4.3升降法
11.5试验数据处理及表达
11.5.1疲劳SN曲线的数学模型
11.5.2疲劳试验记录
11.5.3疲劳SN曲线的绘制
*11.5.4等寿命曲线图
*11.6成组对比试验结果的显著性检验
11.6.1F检验
11.6.2t检验
11.6.3疲劳对比试验
*11.7PSN曲线
11.7.1基本概念
11.7.2PSN曲线的绘制
*11.8金属的腐蚀疲劳试验
11.8.1腐蚀疲劳及特点
11.8.2测试技术要点
11.9影响疲劳极限的因素
11.9.1合金成分与组织结构
11.9.2表面状态与尺寸因素
思考题
第12章金属的低周疲劳试验
12.1基本概念
12.1.1滞后回线
12.1.2循环硬化和循环软化
12.1.3循环应力应变曲线
12.1.4应变寿命曲线
12.1.5低周疲劳的特点
12.2低周疲劳性能的测试
12.2.1标准试验方法
12.2.2试验设备
12.2.3试样与制备
12.2.4测试技术要点
12.2.5低周疲劳试验的特点
12.3循环应力应变曲线的测定
12.3.1单试样法
12.3.2多试样法
12.3.3增级试验法
12.4试验数据的获得、处理及表达
12.4.1试验数据的获得
12.4.2试验数据的处理
12.4.3试验结果的表达
*12.5金属的热疲劳
12.5.1热疲劳现象
12.5.2热疲劳试验方法
*12.6金属的热机械疲劳
12.6.1热机械疲劳现象
12.6.2试验原理及力学行为模型
12.6.3热机械疲劳试验方法
*12.7金属的疲劳蠕变试验
思考题
第13章金属的断裂韧度试验
13.1基本

力学性能是指材料在外加载荷作用下或载荷与环境温度的联合作用下所表现的行为。材料承受载荷的力学状态一般采用各种力学参量（如应力、应变、冲击吸收能量、应力强度因子等）表示，而表征材料力学行为参量的临界值或规定值则称为材料的力学性能指标（如屈服强度、塑性应变、断裂韧度、蠕变强度、疲劳极限、疲劳裂纹扩展门槛值等）。这些性能指标不仅是评定和选用材料及确定加工工艺的基本依据，而且是工程应用、结构强度设计、寿命预测和结构完整性评估的不可或缺的重要基础数据，是连接材料及工艺研究、结构设计和工程应用的桥梁。
现代飞行器的承载能力是指在特定的服役时间和服役条件下（复杂交变载荷、高温、高速和腐蚀环境等）飞行器运行的安全性、可靠性、舒适性、经济性和维修性等方面的保障能力。承载能力取决于工程装备的结构设计和材料的力学特性。航空装备相对其他工程装备而言，对材料性能的要求更加严格，性能指标更加先进，而且对不同类型的飞行器而言，设计对材料性能要求的关注重点也有所不同。因此对航空材料力学性能的检测、表征和评价提出了更高的要求。
检测数据的真实、有效和可靠是航空工业对材料力学性能检测提出的基本要求。然而影响材料力学性能检测数据真实性、有效性和可靠性的因素很多，主要涉及测试设备、测试方法、测试环境、测量溯源、试样状态及测试人员等方面。其中测试人员既是从事测试工作的主体，也是保证检测数据真实性、有效性和可靠性的第一因素，更是控制其他五个方面因素的实践者。测试人员对检测设备的掌握程度、对测试标准和方法的认知程度等，对检测工作的质量会产生重大的影响。因此编写一套统一、完整的力学性能培训教材，有组织地对测试人员进行系统培训和从业资格取证就显得尤为重要。
原航空工业金属力学性能检测人员资格鉴定委员会于1993年编制的内部培训教材，至今已使用20余年，为航空工业乃至社会各界的力学性能检测人员的技术培训与资格鉴定发挥了重要作用。随着航空工业的发展和科学技术的进步，新材料、新工艺、新结构不断涌现，材料测试技术与表征方式持续更新，对力学性能检测人员的培训与资格鉴定提出了新的要求。本书在原内部培训教材的基础上进行了更新、补充和完善，使之与时俱进，以期更好地服务于航空工业及其他行业广大从事力学性能检测工作的同行们。
本书编写的整体思路是力求使力学检测人员不仅熟悉试验操作的步骤，而且知道为什么这样做，如何做得更好、更为准确到位，因此本书体现出实践与理论并重的特色。在内容上，在充分论述基本概念和基本原理的基础上，详细描述了试样、试验设备、测试环境、测试方法和试验操作要点等试验细则，特别强调对关键测试技术和测试方法要点的重点描述。希望此书能为从事航空材料力学性能检测的工程技术人员提供一本既含基本原理表述，又具实际工作指导作用的培训教材或参考书。同时，也希望读者，特别是工作在一线的检测人员对本书存在的问题和不足给予指正，使之不断改进完善。
本书由基础知识、短时力学性能、疲劳断裂力学性能、长时力学性能4大篇组成，涵盖了主要航空结构材料（包括金属、非金属和复合材料）所需力学性能的主要测试技术和方法，突出了航空结构设计对材料力学性能的特殊要求，如环境或变幅载荷下的疲劳断裂性能、高可靠性的统计性能数据等。本书的编写以现行的国家标准、国家军用标准、航空工业行业标准和相应的美国ASTM等试验方法标准为依据。本书在内容上覆盖面广，既详细描述了基本的力学性能测试方法，又清晰地介绍了更多复杂、先进的测试技术和测试方法，如疲劳裂纹扩展门槛值和小裂纹测试方法，腐蚀环境及变幅载荷下的疲劳与裂纹扩展试验方法，高温疲劳、热机械疲劳和蠕变疲劳试验等。在基础知识方面，除了介绍金属与复合材料的基础知识、金属的变形外，还介绍了金属的断裂与断口分析、数据统计分析基础、取样与试样制备、试验方案设计等方面的内容。在非金属和复合材料方面，除了介绍几种常用的静态力学性能试验方法外，还重点介绍了疲劳、冲击、断裂性能的测试方法。此外，需要特别说明的是，由于部分试验方法的现行国家标准和航空标准存在术语、符号上的差异，为便于读者使用，本书对单一章节的术语、符号进行了统一，并在附录D和附录E中罗列了金属材料性能测试国家标准与航空标准之间以及复合材料性能测试美国ASTM标准与国家标准之间有差异的术语和符号。
本书由中国航发北京航空材料研究院（以下简称“航材院”）检测中心力学性能研究室组织，由中航工业、中国航发的相关厂所以及部分高等院校参加编写。参加编写的人员从事力学性能检测研究工作多年，积累了扎实的专业基础理论知识和丰富的实践经验。北京航材院检测中心力学性能研究室集航空材料力学行为研究与专业化材料性能测试于一体，具有120余人的专业团队和近亿元的设备资产，综合实力国际先进，不仅是我国飞机、航空发动机设计用材料性能数据的主要提供者，更是中国航发材料数据中心的挂靠单位。
本书由中航工业力学性能检测人员资格鉴定委员会主任郭广平负责全书总体策划、组织与协调；621所丁传富负责全书内容构思、编制教材编写大纲、全书统稿和校审；621所焦泽辉、钟斌、李骋参与全书的组织和协调工作；西北工业大学王泓老师承担部分章节的校审。第1章~第3章由621所丁传富编写；第4章由621所马少俊编写；第5章由430厂郭子静编写；第6章由172厂何存利、3007厂杜正荣和621 所钟斌编写；第7章由120厂宁淑燕、132厂李纪涛编写；第8章由5713厂洪力编写；第9章由122厂黄玉华、410厂韦廷立编写；第10章由621所陈新文、王海鹏和邓立伟编写；第11章由621所胡本润编写；第12章由621所李影、金磊编写；第13章由621所陈勃、丁传富编写；第14章由621所马少俊编写；第15章由621所陈新文、王海鹏和王翔编写；第16章和第17章由621所李骋、吴安民编写；附录由621所马少俊编写。本教材在编写过程中得到了全体委员的鼎力支持和配合，在此谨表示诚挚的感谢。中航工业力学性能检测人员资格鉴定委员会
中国航发力学性能检测人员资格鉴定委员会