Tworzywa i metale w przemyśle lotniczym

Metale, stopy i tworzywa w przemyśle lotniczym

Rozwój sektora przemysłowego oraz wielu innych dziedzin gospodarki wymaga nieustannego ulepszania rozwiązań stosowanych w zakresie inżynierii materiałowej. Konieczność ta uwidacznia się zwłaszcza przy produkcji półfabrykatów, komponentów, części i gotowych wyrobów, czego jednym z przykładów może być branża lotnicza.

Rozwój rozwiązań konstrukcyjnych i nieustanna poprawa własności stosowanych materiałów są nierozerwalnie złączone z rozwojem całej branży lotniczej. Dzięki rozwojowi stosowanych materiałów i rozwiązań w ciągu ostatnich 50 lat prędkość samolotów wzrosła ponad 30-krotnie. 

Nikogo nie zachwyca już przekraczanie prędkości 2,5 Ma przez seryjnie produkowane samoloty wojskowe, a i codziennością staje się latanie samolotów pasażerskich z prędkościami ponaddźwiękowymi.

---

Obecnie w technice lotniczej powszechnie wykorzystuje się takie materiały konstrukcyjne jak:

• stopy aluminium, stale konstrukcyjne, tytan i tworzywa niemetalowe przy produkcji płatowców,
• stopy żarowytrzymałe, specjalne stopy tytanu, magnezu i aluminium oraz stale konstrukcyjne przy budowie silników,
• stopy miedzi, żelaza, aluminium i inne stopy o specyficznych właściwościach fizyko-chemicznych do produkcji osprzętu samolotów.

---

Stale konstrukcyjne wysokiej wytrzymałości i ich plastyczność

Technika lotnicza korzysta z wielu gatunków stali i stopów: od wysokostopowych, przez średniostopowe, aż po stale stopowe o małej domieszce dodatków. Wraz z biegiem czasu plastyczność stali konstrukcyjnych narażanych na szczególne obciążenia w lotnictwie ulegała stopniowemu zwiększaniu się. W latach 1920 granica plastyczności wynosiła około 75 kG/mm², a po roku 2000 przekroczyła wartość 300 kG/mm².

Uzyskiwanie tak wysokich granic plastyczności przez stale konstrukcyjne możliwe jest dzięki bezdefektowej budowie atomowo-krystalicznej oraz poprzez świadome domieszkiwanie odpowiednimi stopami i usuwanie zanieczyszczeń powstających podczas procesów produkcyjnych. Kluczowa jest również odpowiednia obróbka cieplna: zwykła, cieplno-chemiczna, cieplno-mechaniczna, cieplno-magnetryczna oraz plastyczna na zimno.

Wśród najistotniejszych parametrów wytrzymałościowych konstrukcji lotniczych wymienia się:

• granicę sprężystości R_SP,
• omówioną powyżej granicę plastyczności R_e
• moduł Younga E,
• wytrzymałość na rozciąganie R_m,
• wytrzymałość na zmęczenie Z.

Poza tym do kluczowych własności konstrukcji lotniczych należy doliczyć również:

• wydłużenie i przewężenie w próbie rozciągania A,
• udarność K(U),
• współczynnik kształtowania w stosunku R_e/R_m(powinien być większy od 0,85),
• odporność na pękanie w dwuwymiarowym stanie odkształcenia K_1C,
• Charakterystyki własności konstrukcji w temperaturach obniżonych i podwyższonych.

---

Jednoczesne osiąganie najwyższych wskaźników własności dla jednego materiału w skrajnych temperaturach jest niemożliwe. Przykładowo zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie i udarności sprawia, że wytrzymałość na zmęczenie Z, odporność na pękanie K i wydłużenie oraz przewężenie w próbie rozciągania A.

Obecnie stale wysokiej wytrzymałości są pojęciem względnym, jednakże można do nich zaliczyć wszystkie stale, których granica plastyczności w stanie ulepszonym cieplnie jest większa od 120 kG/mm². Jednymi z pierwszych stali wysokowytrzymałych są stale stopowe do ulepszania cieplnego.

Przeczytasz o nich w tym miejscu.