Каковы критерии, которые определяют выбор между титаном, композитами и более распространенными материалами, такими как алюминий?

Каковы критерии, которые определяют выбор между титаном, композитами и более распространенными материалами, такими как алюминий?

Три основных критерия: стоимость, удельная прочность и сопротивление усталости.

• Расходы. Из этих трех алюминий раньше был явным победителем, а композиты добились больших успехов благодаря улучшенным производственным процессам. Титан является самым дорогим и труднообрабатываемым.
• Соотношение прочности к весу.
  • . _ Титановые сплавы имеют более высокую удельную прочность, чем алюминий (этот ответ , подробнее о температуре ниже), но алюминий легче, и это дает ему преимущество в конструкциях, нагруженных напряжениями сжатия: сопротивление продольному изгибу также зависит от размера поперечного сечения. Для верхней поверхности крыла алюминий будет легче титана, несмотря на меньшую удельную прочность. Композиты обладают самой высокой удельной прочностью из всех.
  • Температура . График в связанном ответе также показывает влияние температуры на удельную прочность материалов: алюминий падает первым, а при более высоких температурах титан является лучшим следующим выбором, как из комментария @PeterKämpf.

• Сопротивление усталости. Титановые сплавы, как и сталь, имеют предел усталостной выносливости. Если напряжения остаются ниже этого предела, конструкция может выдерживать бесконечное количество циклов. Алюминий не имеет предела выносливости и в конечном итоге выйдет из строя даже при небольших циклах амплитуды напряжений: алюминиевые конструкции требуют тщательного контроля и обслуживания для предотвращения усталостного разрушения.

  

  Композиты не имеют предела выносливости, но ориентация волокон и выбор материала могут улучшить усталостную долговечность.

Источник изображения

"Применение самолетов" крайне расплывчато. В современных самолетах все эти материалы используются в разных местах по разным причинам. Каждый компонент будет иметь различные компромиссы, которые зависят от многих факторов. Ниже приводится чрезвычайно общий обзор.

Алюминий является популярным материалом в самолетах, потому что он относительно дешев и легок, а его сплавы обладают хорошими свойствами. С ним довольно легко работать, но его необходимо защищать от коррозии. Легкий вес и низкая стоимость означают, что он используется на больших участках, таких как фюзеляж и обшивка крыльев, а также на большей части базовой конструкции.

Титан полезен своей способностью выдерживать более высокие температуры, будучи прочнее алюминия, но и тяжелее. Однако он значительно дороже алюминия.

Композиты представляют собой большое семейство материалов с множеством различных типов и комбинаций. Композиты могут быть прочными и легкими, но не выдерживать высоких температур. Хотя композиты не подвержены коррозии, как некоторые металлы, необходимо избегать некоторых ситуаций, таких как контакт углеродного волокна с алюминием. Воздействие ультрафиолетового излучения или влаги также может быть проблемой. Производство композитов может стать очень дорогим в зависимости от используемых материалов. Поскольку композиты обычно изготавливаются из нескольких слоев, соединенных вместе, они легче подходят для приложений с большими и тонкими сечениями. Более крупные и сложные детали труднее изготовить из композитов. Другим важным фактором для самолетов является электропроводность. В то время как металлические части естественным образом проводят электрический заряд друг с другом,

Есть также много других соображений. Помимо предела текучести, многие материалы для самолетов должны обладать хорошими усталостными свойствами, чтобы выдерживать циклические нагрузки с течением времени. Свойства материала при высоких и/или низких температурах также могут быть важны. В то время как металлы имеют тенденцию изгибаться и рассеивать энергию, прежде чем сломаться, композиты имеют тенденцию внезапно ломаться . Металлы также легче осматривать и ремонтировать, в то время как композиты могут быть намного сложнее . В то время как металл можно довольно хорошо классифицировать по его типу и размерам, композиты более сложны из-за их многослойности. Это усложняет определение и анализ.

На первый вопрос вполне можно ответить.

Композиты обладают тем замечательным свойством, что они неоднородны в мезоскопическом масштабе. Почти неизбежно образование мелких трещин в материалах под нагрузкой. Это происходит как в алюминии, титане, так и в композитах. Это не опасно, если есть что-то, что мешает их росту. В аэрокосмических композитах локальные границы материалов останавливают рост трещин. На практике для ламинарного композита это означает, что в одном слое может образоваться трещина. Два соседних слоя останутся приклеенными к обеим сторонам трещины и удержат панель вместе.

Композиты также легче проектировать для некоторых конкретных целей, таких как более высокая прочность на растяжение в критических направлениях. Это не невозможно для титана, но это очень дорого. Вам предстоит вырастить и разрезать монокристалл титана. По сравнению с углеродным композитом это просто вопрос ориентации волокнистых слоев.