如何选择合适的紧固件材料

2023-07-18 理论教育版权反馈

【摘要】：表10-6给出了几种常用材料的开路电位及比强度数值。Ti—6Al—4V属α+β合金，该合金固熔时效后的强度水平与30CrMnSiA调质后相当，可达1100 MPa，其密度为4.42 g/cm3，相当于30CrMnSiA 的60%。表10-7航空结构材料电位搭配表钛及其合金制造的铆钉，用于碳纤维复合材料结构的连接是适宜的，而且与常用的航空铆钉材料相比，比强度最高。

1.螺栓选材

在复合材料机械连接中，由于存在电位腐蚀的问题，因此，在紧固件选材上，必须予以重视。表10-6给出了几种常用材料的开路电位及比强度数值。

表10-6　几种常用材料的开路电位及比强度数值

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由表可见，不锈钢与复合材料间的电位差最小，但其比强度最低。在其余材料中，只有钛合金既有高比强度又有低电位差。因此，钛合金成为复合材料结构连接的最佳选择材料。

国外钛螺栓大部分是用Ti—6Al—4V制造的。Ti—6Al—4V属α+β合金，该合金固熔时效后的强度水平与30CrMnSiA调质后相当，可达1100 MPa，其密度为4.42 g/cm3，相当于30CrMnSiA 的60%。目前，该材料被公认为综合性能最好的一种钛合金。但这种合金冷塑性差，用其制造螺栓时，螺栓头必须热镦成形。

β型合金的主要特点是在固熔化状态下有良好的塑性。用这种合金制造螺栓时，螺栓头可直接冷镦成形。Ti—22，47121 两种材料制成的螺栓就属这种合金，在我国飞机上得到过一定范围的应用，但β型合金价格较贵。

生产飞机用螺栓的另一种材料是A286（美国材料牌号，中国牌号GH2132）。A286 原是作为耐热不锈钢研制的，因其含有耐热元素，具有抗蚀性，也可用于制造中等强度、耐腐蚀螺栓。

2.铆钉选材

铆钉所用的材料，除与螺栓一样，要求能防止电位腐蚀和具有高的比强度外，它还应具有良好的塑性，以满足铆接装配工艺要求。

电位腐蚀是碳纤维复合材料与金属之间有较大电位差而形成的电化学腐蚀。表10-7是根据试验得到的航空结构材料电位搭配表。

通常，飞机铆钉大都用铝合金及低合金钢，由表10-7可见，它们不适用于与复合材料铆接装配。A286 钢和蒙乃尔合金较重、比强度低，且与碳纤维复合材料的电位处于临界搭配状态，故只用于少数部位，用量较小。

表10-7　航空结构材料电位搭配表

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钛及其合金制造的铆钉，用于碳纤维复合材料结构的连接是适宜的，而且与常用的航空铆钉材料相比，比强度最高。

图10-24给出了几种铆钉材料易变形程度的比较。由图可见，钛铌合金铆钉、纯钛铆钉较易铆接成形，而βⅢ这类钛合金铆钉，由于变形抗力太大，不适用于复合材料结构铆接。

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图10-24　铆钉材料的变形抗力比较

表10-8和表10-9列出了几种钛和钛合金铆钉材料的成分和室温机械性能，以便进行比较。

表10-8　钛和钛合金铆钉用材料成分

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表10-9　钛和钛合金铆钉用材料室温机械性能

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①β型钛合金，包括TB2-1，Ti—22，β1（美国），这些都作为铆钉材料在飞机上使用过。它们的特点是强度高、变形抗力大。因此，这种材料的铆钉不适用于复合材料结构的连接。今后可进一步探索用应力波铆接方法将这种铆钉用于复合材料结构的可能性。

②纯钛，这种材料制成的铆钉被较多地应用于飞机的复合材料结构连接。与铝铆钉相比，它抗电位腐蚀好、比强度高，用工厂现有铆接工具就可方便地施铆，但成为航空用铆钉丝材，其性能指标，特别在塑性指标方面，还需进一步改进。

③钛铌合金（见表10-8），钛铌合金与纯钛性能相近，抗拉强度高于纯钛，但它的变形抗力比纯钛低，更容易铆接成形。经特殊加工工艺制造的钛铌铆钉，可使钉杆在铆接时变形很小，能防止钉杆不均匀膨胀对复合材料结构孔壁的损伤。钛铌合金现在已越来越受到青睐，在很多场合取代了纯钛。

钛铌合金与蒙乃尔合金（Monel）相比，成形性很相近，但钛铌合金比蒙乃尔合金约轻33%，且抗电位腐蚀能力更好。

钛铌合金由于加入了很多铌元素，成本较高。也由于加入了铌元素，材料密度有较大增加，但比强度仍略高于纯铁。另外，钛铌合金丝材制造工艺较复杂。

以上介绍的几种铆钉材料，仅钛铌和纯钛两种材料适合作为铆接碳纤维复合材料结构的铆钉，它们各有特色，应根据不同使用部位和要求，选择不同的材料。

如何选择合适的紧固件材料

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