從MIL-HDBK-5J到MMPDS-06發(fā)展變化的分析和思考

楊 天 石 健

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

將金屬材料性能經(jīng)合理有效的標(biāo)準(zhǔn)化手段進(jìn)行積累固化，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，一直是不斷發(fā)展和深化的世界性課題。早在上世紀(jì)60年代，美國(guó)軍方率先邁出了歷史性的一步，發(fā)布了被業(yè)界內(nèi)譽(yù)為“寶典”的MIL-HDBK-5《航空與航天飛行器結(jié)構(gòu)用金屬材料與元件手冊(cè)》。通過該手冊(cè)，金屬材料標(biāo)準(zhǔn)化工作者將航空航天領(lǐng)域中金屬材料的科學(xué)研究、實(shí)際生產(chǎn)和工程應(yīng)用緊密結(jié)合在一起，將標(biāo)準(zhǔn)化工作對(duì)系統(tǒng)效能的提升落到實(shí)處，使科研任務(wù)和采辦項(xiàng)目中的各方從中獲益。因內(nèi)容詳實(shí)、數(shù)據(jù)可信，該手冊(cè)在我國(guó)航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料研發(fā)領(lǐng)域一直作為重要的參考資料。

2004年，歷經(jīng)40余年風(fēng)雨的MIL-HDBK-5廢止，發(fā)展為MMPDS《金屬材料性能研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化》手冊(cè)。此次重大變革后，我國(guó)業(yè)內(nèi)人士普遍希望了解這其中的變化，例如收錄的新材料和發(fā)展的新思路等。本文將以MMPDS-06版本（2011年發(fā)布）和MIL-HDBK-5J（2004年發(fā)布，MIL-HDBK-5的最后一個(gè)版本）的對(duì)比分析為切入點(diǎn)，敘述從MIL-HDBK-5到MMPDS的發(fā)展中，其技術(shù)內(nèi)容發(fā)展給我國(guó)帶來的更多新選擇，其管理形式創(chuàng)新給我國(guó)提供的可借鑒思路。

1 從MIL-HDBK-5J到MMPDS-06的發(fā)展變化概述

技術(shù)內(nèi)容的發(fā)展變化情況主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是收錄最新研發(fā)的材料牌號(hào)：在MILHDBK-5J中共有110個(gè)，MMPDS-06比其多收錄了23個(gè)，其中鋼3個(gè)，鋁合金17個(gè)，鈦、鎂和其他合金牌號(hào)各1個(gè)；二是進(jìn)一步規(guī)范技術(shù)數(shù)據(jù)的采集和應(yīng)用：補(bǔ)充了裂紋擴(kuò)展抗力的測(cè)定，對(duì)數(shù)據(jù)采集中的6項(xiàng)測(cè)試方法進(jìn)行了調(diào)整或細(xì)節(jié)補(bǔ)充，引入兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方法。

管理形式的發(fā)展變化情況也主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是由美國(guó)軍方管理的MIL-HDBK-5轉(zhuǎn)變?yōu)檐娒袢诤鲜焦芾淼腗MPDS；二是在MMPDS中對(duì)緊固件性能數(shù)據(jù)引入了“自動(dòng)消減條款”的管理手段。

2 技術(shù)發(fā)展給航空金屬材料選用帶來的新啟示

2.1 鋁合金材料的發(fā)展和應(yīng)用

因其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度和經(jīng)濟(jì)性，鋁合金自上世紀(jì)60年代起發(fā)展為航空領(lǐng)域的重要金屬材料之一。盡管受到先進(jìn)復(fù)合材料的沖擊，鋁合金的用量比例在逐漸降低，以民機(jī)為例，由上世紀(jì)80年代的75%左右（B767-200），下降到本世紀(jì)最新機(jī)型的20%左右（B787、A350XWB）。但競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)鋁合金供應(yīng)商對(duì)新牌號(hào)的研發(fā)，為飛行器結(jié)構(gòu)件提供更多、更好的選擇。相比MIL-HDBK-5J，MMPDS-06中74%的新增牌號(hào)屬變形鋁合金，可見鋁合金在航空用金屬材料的發(fā)展中仍占有重要地位。

從新增牌號(hào)的分布看，2000系列9個(gè)，6000系列1個(gè)，7000系列7個(gè)。2000系列的新牌號(hào)均具有優(yōu)異的高低溫強(qiáng)度和抗蠕變性能，典型抗拉強(qiáng)度接近450MPa；7000系列的新牌號(hào)均的強(qiáng)度均超過450MPa，甚至可達(dá)550MPa以上的水平。由此可見，航空鋁合金的研發(fā)方向是高強(qiáng)度鋁合金。同時(shí)，鋰、鋅、鋯、鎂、銅、銀等元素則作為這兩個(gè)系列的主要添加元素，它們含量和配比與材料工藝和應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必將成為未來鋁合金研發(fā)的重點(diǎn)之一。

從新增牌號(hào)的成分看，五元系鋁合金占主要地位。據(jù)筆者分析，在成分設(shè)計(jì)中，因五元系鋁合金析出相的物理結(jié)構(gòu)種類較上一代四元系繁多，各析出相的位置在晶界和晶內(nèi)各有偏好，它們對(duì)晶粒細(xì)化、晶界固化、彌散強(qiáng)化等起到綜合性作用，進(jìn)而對(duì)加工性能和使用性能的影響千差萬別。依據(jù)熱力學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)，配合不同的元素成分比、不同的熱處理制度，可以突破四元合金的限制，并避免更高元合金的復(fù)雜性，生產(chǎn)出滿足當(dāng)前工藝技術(shù)水平、性價(jià)比有競(jìng)爭(zhēng)力的新型鋁合金。例如7085、7136和7140，它們的添加元素均為Zn、Mg、Cu和Zr。然而，7085強(qiáng)度高和韌性好，適合厚板和鍛件；7136強(qiáng)度高和抗腐蝕性好，適合擠壓產(chǎn)品；7140強(qiáng)度、抗腐蝕和抗剝離腐蝕的綜合性能優(yōu)異，適合厚板。

新增牌號(hào)滿足了航空飛行器對(duì)新材料的需求。新收錄的第3代鋁鋰合金2196，密度低、強(qiáng)度高、模量高和尺寸穩(wěn)定性良好，適合擠壓產(chǎn)品。并在需要高強(qiáng)度、高模量和高加工尺寸穩(wěn)定性的航空構(gòu)件中得到了應(yīng)用，例如A380的地板主層梁；密度較低、產(chǎn)品成型厚度十分符合機(jī)翼上壁板需求的7056合金，可以在新機(jī)型的設(shè)計(jì)研發(fā)中考慮；設(shè)計(jì)用于替代7050的7085，強(qiáng)度和韌性高，淬火敏感性低。相比7050，如果二者屈服強(qiáng)度相等，7085有更高的斷裂韌性，反之亦然。十分適合常用的150mm截面厚板，應(yīng)用于新設(shè)計(jì)、系列和改型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)零件，包括翼梁、翼肋和整體加工件，例如A380的翼梁、翼肋；此外，還有2027，可推廣應(yīng)用于機(jī)翼下部結(jié)構(gòu)；包鋁2056，適合成型機(jī)身結(jié)構(gòu)件。

另外，鋁合金新增牌號(hào)還包括：2013、2050、2098、2099、2198、2297、6156、7068、7349和7449。

2.2 其他金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用

Ferrium S5是本世紀(jì)初QuesTek公司在美國(guó)海軍小企業(yè)創(chuàng)新研究項(xiàng)目支持下，基于材料設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)出來的二次硬化馬氏體耐蝕鋼。它應(yīng)用于需要高斷裂韌性、高抗腐蝕性和高抗應(yīng)力腐蝕性，并且抗拉強(qiáng)度高于1900MPa的場(chǎng)合。它適合各種品種和尺寸，包括坯料、棒材和鍛件。相比同級(jí)別的300M和AerMet 100，其最大的優(yōu)勢(shì)在于抗腐蝕性，因此特別適合于海軍艦載機(jī)起落架等部件使用。據(jù)該公司官網(wǎng)稱，該鋼目前在美國(guó)T-38教練機(jī)起落架上已應(yīng)用一年，情況良好，無防腐處理的該鋼比涂覆防腐涂層的傳統(tǒng)起落架鋼的抗腐蝕性還好。此事對(duì)該鋼在取代必須涂覆特殊、昂貴、有毒涂層的傳統(tǒng)鋼種的道路上，提供了有力的支撐。另外，采用Ferrium S53制造的美國(guó)A10飛機(jī)起落架已裝機(jī)開展測(cè)試工作。由此可以預(yù)期，該鋼在航空領(lǐng)域應(yīng)用前景良好。我國(guó)科研設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)該鋼進(jìn)行關(guān)注，并分析和學(xué)習(xí)美國(guó)工程師在該鋼研發(fā)中所使用的材料設(shè)計(jì)技術(shù)。

HSL180鋼是上世紀(jì)90年代由日本白立金屬公司研發(fā)的沉淀硬化馬氏體不銹鋼，適用于需要抗拉強(qiáng)度1800MPa以上、高斷裂韌性和高抗腐蝕性的產(chǎn)品。它在高強(qiáng)度不銹鋼中具有最佳的強(qiáng)度和斷裂韌性的配合。產(chǎn)品以退火態(tài)的棒材或鍛件供應(yīng)。對(duì)我國(guó)航空設(shè)計(jì)人員來說，可考慮用該鋼制造螺栓、固定器等高強(qiáng)度耐蝕部件。

MLX17鋼是本世紀(jì)初由法國(guó)奧博杜瓦特鋼公司研發(fā)出的馬氏體時(shí)效鋼，在很大范圍的截面形狀下，具有非常優(yōu)異的缺口抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性。在H950狀態(tài)下，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1700MPa級(jí)別，并同時(shí)保持高斷裂韌性和高抗應(yīng)力腐蝕開裂性。當(dāng)過時(shí)效達(dá)到H1000狀態(tài)后，雖然強(qiáng)度降低140MPa左右，但能達(dá)到更高的韌性水平。通常以固溶退火的鍛件、坯料、棒材、線材和帶材等品種供應(yīng)。我國(guó)目前對(duì)該牌號(hào)的鋼種分析研究報(bào)道較少，據(jù)其官網(wǎng)和國(guó)外資料顯示，該鋼在航空中應(yīng)用是起落架結(jié)構(gòu)件，并無需使用特殊、昂貴、有毒涂層涂覆。建議我國(guó)相關(guān)人員對(duì)該鋼進(jìn)行全面了解和研究。

新收錄的鎂基鑄造合金EV31A（Elektron 21），代表了本世紀(jì)初鎂合金鑄件最高的技術(shù)水平。它阻燃性良好、易鑄造、耐腐蝕性好、高溫性能好，可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及直升機(jī)的減速器機(jī)匣。有報(bào)道稱英國(guó)伊利可創(chuàng)鎂業(yè)公司將為芬梅卡尼卡集團(tuán)阿古斯塔?韋斯特蘭公司的新一代高性能直升機(jī)供應(yīng)此牌號(hào)的鎂合金；鈦合金作為十分具有潛力的航空航天材料，近年行業(yè)內(nèi)對(duì)其主要的研究工作在于降低其生產(chǎn)和加工成本。新增雙相鈦合金Ti-4Al-2.5V-1.5Fe的設(shè)計(jì)初衷正是為了提高鈦合金的高、低溫加工性能。它在與Ti-6Al-4V合金同等的強(qiáng)度下，具有良好的韌性。軋制狀態(tài)下，它具有細(xì)小的α＋β雙相顯微組織結(jié)構(gòu)，可以薄板、帶材、卷材和厚板供應(yīng)；新收錄的銅鎳錫合金，成分為Cu-15Ni-8Sn，屬于亞穩(wěn)態(tài)沉淀合金，具有極好的抗腐蝕性能，氫脆不敏感，在H2S和HCl環(huán)境下的具有抗裂紋性能；在高溫合金領(lǐng)域，給原有的718合金增加了800?F、1000?F、1200?F、1500?F溫度下，應(yīng)變和斷裂周期圖、振幅和循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變圖、應(yīng)變幅度和平均應(yīng)力幅圖。對(duì)其應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍和疲勞裂紋擴(kuò)展速率圖給出了數(shù)據(jù)點(diǎn)列表。并給Rene41合金和L605合金重做了相應(yīng)的蠕變圖。

2.3 其他技術(shù)內(nèi)容的分析

從數(shù)據(jù)的采集項(xiàng)目上看，MMPDS對(duì)斷裂韌性內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，增加了裂紋擴(kuò)展抗力指標(biāo)，通過KR曲線表征金屬材料在平面應(yīng)力（I型）靜載下對(duì)破壞的抗力，而KR曲線是記錄韌性發(fā)展（對(duì)裂紋擴(kuò)展的抗力）隨有效裂紋擴(kuò)展的變化?；诖朔椒ǎ梢蚤_展許多特殊的斷裂評(píng)估，例如表層裂紋增殖、加強(qiáng)筋板的殘余強(qiáng)度計(jì)算等。

對(duì)于數(shù)據(jù)采集時(shí)所采用的測(cè)試方法的進(jìn)一步補(bǔ)充規(guī)定主要包括：短橫向拉伸、壓縮、剪切和擠壓的試樣的最小厚度要求；剪切測(cè)試方法選用放寬為ASTM B 769 和 B 831，一般厚度/直徑6.5mm以上試樣，使用B 769，以下使用B 831，測(cè)試時(shí)晶粒方向和加載方向必須指明；平均熱膨脹系數(shù)的測(cè)試方法由ASTM E 228 變?yōu)?ASTM E 831，從膨脹計(jì)法變?yōu)榱藷釀?dòng)力分析法；補(bǔ)充數(shù)據(jù)傳遞中的特殊規(guī)定，解決在某些情況下，一些小數(shù)量級(jí)數(shù)據(jù)英制公制轉(zhuǎn)換后進(jìn)行對(duì)數(shù)變換時(shí)，出現(xiàn)0甚至負(fù)值的問題。

新引入的兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方法進(jìn)一步擴(kuò)展了MMPDS中數(shù)據(jù)的應(yīng)用：一是“用于非線性靜態(tài)分析的基于流變應(yīng)力許用值”，可將工程應(yīng)力應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)變和流變應(yīng)力的曲線，進(jìn)而用流變應(yīng)力數(shù)據(jù)來分析超過彈性比例極限后的材料受力變形情況；二是“從A-基值和B-基值中估算平均拉伸性能”，揭示了使用A基值和B基值來估計(jì)材料拉伸的屈服和斷裂的平均值的方法和原理。

3 管理創(chuàng)新給航空材料標(biāo)準(zhǔn)管理帶來的新思路

3.1 軍民融合的標(biāo)準(zhǔn)管理

MIL-HDBK-5轉(zhuǎn)化為MMPDS的大背景是上世紀(jì)90年代開始的美軍裝備采辦機(jī)制改革和軍民標(biāo)準(zhǔn)通用化戰(zhàn)略的推進(jìn)。具體做法是將MIL-HDBK-5退出美軍標(biāo)的有效目錄，成立由聯(lián)邦航空管理局、國(guó)防部陸?？杖?、飛機(jī)制造商（例如波音公司、諾斯羅普公司、洛克希德公司）和材料及零件生產(chǎn)商（例如Alcoa、Allvac、Howmet、PCC及Timet）共同參與的MMPDS委員會(huì)，負(fù)責(zé)對(duì)MMPDS手冊(cè)進(jìn)行管理維護(hù)，非盈利機(jī)構(gòu)巴泰爾研究中心負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，聯(lián)邦航空管理局、美國(guó)國(guó)防部所屬機(jī)構(gòu)和美國(guó)國(guó)家航空航天局宣布采納和使用MMPDS手冊(cè)。

隨著我國(guó)深化改革的進(jìn)一步推進(jìn)，航空裝備領(lǐng)域的軍民融合式發(fā)展是大勢(shì)所趨。我國(guó)軍用航空材料作為航空裝備的基礎(chǔ)，同時(shí)可應(yīng)用于民用航空、汽車等方方面面，軍民通用的潛力巨大。MMPDS作為航空材料標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域的重大手冊(cè)，其軍民融合式的管理為我國(guó)航空材料標(biāo)準(zhǔn)的管理提供了新思路，即由軍方聯(lián)合裝備設(shè)計(jì)制造商和材料供應(yīng)商，依航空材料專業(yè)領(lǐng)域由成立委員會(huì)，對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)因裝備需求而研發(fā)的新材料及其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行聯(lián)合管理推廣，既做到對(duì)軍用航空材料標(biāo)準(zhǔn)的切實(shí)管控，又促進(jìn)了其民用發(fā)展。同時(shí)，該委員會(huì)也將促進(jìn)優(yōu)質(zhì)民用材料標(biāo)準(zhǔn)的軍民交流。

3.2 自動(dòng)消減的內(nèi)容管理

MMPDS給我們帶來的另一個(gè)重要管理思路是引入“自動(dòng)消減條款”對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行管理。該條款的基本內(nèi)容是給事物設(shè)定自動(dòng)失效的日期。在MMPDS中的表現(xiàn)是對(duì)緊固件性能數(shù)據(jù)表設(shè)定7年的有效期，到期前依據(jù)復(fù)查結(jié)果，保留或刪除。復(fù)查方式是對(duì)于任一緊固件的性能數(shù)據(jù)表，要求其原始數(shù)據(jù)的提供者或其他感興趣的組織依照MMPDS緊固件工作組對(duì)測(cè)試條件做出的相關(guān)規(guī)定，重新提交一份實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，然后由該工作組審核。如果沒有數(shù)據(jù)反饋或反饋數(shù)據(jù)審核不合格，數(shù)據(jù)性能表中的數(shù)據(jù)將被刪去，僅保留表的位置和說明。從實(shí)施情況來看，MMPDS-06中133種緊固件力學(xué)性能的表中，已有40個(gè)被刪除數(shù)據(jù)。

在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化的管理工作中，使用“自動(dòng)消減條款”實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和數(shù)量的科學(xué)化管控，將是十分值得探索和實(shí)踐的方向。在航空材料標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域，“自動(dòng)消減條款”可以讓標(biāo)準(zhǔn)的管理機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師、材料起始供應(yīng)方、材料加工方和材料使用方，與標(biāo)準(zhǔn)的有效或廢止?fàn)顟B(tài)按時(shí)間周期聯(lián)系起來，進(jìn)而推動(dòng)材料標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)的螺旋式上升發(fā)展。

4 結(jié)束語

本文通過進(jìn)行MIL-HDBK-5J和MMPDS-06的對(duì)比分析，揭示了MIL-HDBK-5發(fā)展為MMPDS時(shí)，其技術(shù)內(nèi)容中新增的材料牌號(hào)等內(nèi)容非常值得我國(guó)航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和材料工程師對(duì)其進(jìn)行深入研究，其管理方式上的創(chuàng)新值得我國(guó)航空材料標(biāo)準(zhǔn)化工作者進(jìn)行研究和學(xué)習(xí)。同時(shí)，MMPDS將在航空金屬材料領(lǐng)域中繼續(xù)發(fā)揮其不可替代的作用。

[1] Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS-06)[S], FAA, 2011.

[2] Metallic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures (MIL-HDBK-5J)[S], DoD, 2004.

[3] 劉 兵，彭超群，王日初等.大飛機(jī)用鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào).Vol.20 No.9,2010.

[4] 李紅萍.鋁合金在飛機(jī)上的應(yīng)用[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究.2003.

[5] 文邦偉，龔維強(qiáng)，朱蕾等.航母艦載機(jī)用高強(qiáng)、高韌、耐蝕不銹鋼[J].裝備環(huán)境工程.Vol.4 No.6, 2007.