民航機(jī)務(wù)工程專業(yè)“航空材料學(xué)”教學(xué)內(nèi)容和方法探討

金冉等

摘 要： 針對民航機(jī)務(wù)工程專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，對《航空材料學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行刪減和補(bǔ)充，注重實(shí)例講述，重點(diǎn)講述鋁合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫材料和復(fù)合材料。在教學(xué)過程中通過各種小實(shí)驗(yàn)、圖片、動(dòng)畫、視頻和航空有關(guān)各種案例和故事，提高學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)興趣、教學(xué)質(zhì)量和成效。

關(guān)鍵詞： 航空材料 民航機(jī)務(wù) 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法

航空材料與航空技術(shù)的關(guān)系極為密切，隨著航空材料的發(fā)展，航空業(yè)不斷向前發(fā)展。機(jī)務(wù)維修人員必須對航空材料有所了解，所以民航機(jī)務(wù)工程的教學(xué)計(jì)劃中有一門針對材料的重要專業(yè)課程，就是《航空材料學(xué)》。

1.教學(xué)內(nèi)容

航空材料指的是用來制造航空飛行器的材料。民用飛機(jī)包括飛機(jī)機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載設(shè)備和機(jī)艙四大部分材料，機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)使用的材料為結(jié)構(gòu)材料，機(jī)載設(shè)備使用的則是功能材料。對于民航機(jī)務(wù)工程專業(yè)的同學(xué)們來說，以后從事的工作主要是飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)部分的維修，所以在對本專業(yè)同學(xué)講述《航空材料學(xué)》這門課程的時(shí)候，主要講述的是結(jié)構(gòu)材料。

在教材選取方面，與航空材料相關(guān)的書籍不少，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社的《航空材料學(xué)》，此教材內(nèi)容較簡要，而民航機(jī)務(wù)專業(yè)學(xué)生沒有任何材料方面的先修課程作為基礎(chǔ)，所以對于他們而言并不太適合。除此以外，如北京航空航天大學(xué)出版社的《航空工程材料》，國防工業(yè)出版社出版的《航空工程材料及應(yīng)用》等，這些教材是專門為高職類航空院校編寫的，本作者所在院校為獨(dú)立學(xué)院。而且這些教材和機(jī)械類工程材料的教材相似度較高，偏重于傳統(tǒng)鋼鐵材料，對飛機(jī)上使用的鋁合金、鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料等的描述較少，缺乏材料在飛機(jī)上的應(yīng)用實(shí)例，而機(jī)務(wù)維修注重的恰恰是應(yīng)用。當(dāng)然也有論述航空材料非常詳細(xì)、非常全面的書籍，如航空工業(yè)出版社出版的《航空材料技術(shù)》，但內(nèi)容太多且比較深?yuàn)W外加價(jià)格較貴，并不適合作為教材。在教學(xué)過程中，以高職教材作為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)鋼進(jìn)行壓縮，基本舍棄鑄鐵部分，對鋁合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫材料、復(fù)合材料進(jìn)行內(nèi)容上的增加和補(bǔ)充，詳細(xì)介紹航空材料在飛機(jī)上的具體應(yīng)用。同時(shí)考慮到機(jī)務(wù)工程專業(yè)除材料力學(xué)以外沒有學(xué)習(xí)過材料類知識，對大量概念、術(shù)語難以理解，所以首先應(yīng)對材料的基礎(chǔ)知識進(jìn)行介紹，包括材料的性能、結(jié)構(gòu)和工藝，隨后再具體介紹各類航空材料及應(yīng)用。

1.1航空材料基礎(chǔ)知識。

基礎(chǔ)知識部分主要包括三方面內(nèi)容——材料的性能、結(jié)構(gòu)和工藝。材料的結(jié)構(gòu)和工藝決定了材料的性能，而材料的結(jié)構(gòu)和工藝又是相互影響的。性能部分包括材料的使用性能和工藝性能，重點(diǎn)講述使用性能中的力學(xué)性能；結(jié)構(gòu)部分包括純金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶，合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶的過程（合金相圖）。主要通過“鐵碳合金相圖”說明材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的相互關(guān)系；工藝部分包括金屬的塑性變形與再結(jié)晶、鋼的熱處理。主要說明如何通過改變加工工藝從而改變材料組織，最終達(dá)到改變性能的目的。

1.2航空材料。

航空材料部分具體講述的包括鋁合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫材料和復(fù)合材料。

1.2.1鋁合金

鋁合金作為航空器結(jié)構(gòu)材料的最突出特點(diǎn)是密度小、延展性好、耐腐蝕、易加工、價(jià)格低等。在當(dāng)前在役的民用飛機(jī)中，鋁合金在總結(jié)構(gòu)用量上占70%～80%的比例。盡管先進(jìn)復(fù)合材料和鈦合金在新型號飛機(jī)上應(yīng)用比例日益提高，但鋁合金由于成本和工藝上的優(yōu)勢，在可預(yù)見的將來仍是民用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，鋁合金也在不斷發(fā)展，如A380上使用的GLARE（玻璃纖維鋁合金層合板）是鋁合金與玻璃纖維的復(fù)合材料，提高了材料的壓縮性能、抗沖擊性能、成型性能和切削性能，降低了材料的成本。鋁合金在飛機(jī)上的應(yīng)用非常廣泛，包括蒙皮、桁條、隔框、翼肋、翼梁、壁板、螺旋槳、油箱、起落架支柱等。

1.2.2鈦合金

鈦合金相對于鋁合金等其他結(jié)構(gòu)材料的突出優(yōu)點(diǎn)包括比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗蝕性高等。鈦合金的強(qiáng)度和調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼相近，而鈦合金的密度比鋼低得多，具有高的比強(qiáng)度。而且鈦的熔點(diǎn)高，再結(jié)晶溫度也高，所以鈦合金具有較高的熱強(qiáng)度。再加上鈦表面能形成一層致密、穩(wěn)定的，由氧化物和氮化物組成的保護(hù)膜，具有很好的抗蝕性能。在潮濕的大氣、海水、氧化性酸（硝酸、鉻酸等）和大多數(shù)有機(jī)酸中，抗蝕性與不銹鋼相當(dāng)，甚至超過了不銹鋼。在民航飛機(jī)上鈦合金可以部分替代鋼，大大減輕結(jié)構(gòu)重量；鈦合金也被用來制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)部件等；航天器中被用來制造各種壓力容器、燃料貯箱、儀器綁帶、殼體等。

1.2.3超高強(qiáng)度鋼

超高強(qiáng)度鋼的特點(diǎn)就是強(qiáng)度高，主要用來制造飛機(jī)上的承力構(gòu)件，最典型的就是起落架。今后，超高強(qiáng)度鋼仍然還是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構(gòu)件的材料。

1.2.4高溫材料

隨著航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作環(huán)境日益苛刻。航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作環(huán)境要求制造它們的材料必須能夠承受高溫、高應(yīng)力、氧化和腐蝕等化學(xué)作用，所以需選擇具有較高的熱穩(wěn)定性、高的熱強(qiáng)度、良好的工藝性能的高溫材料。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤和渦輪葉片的典型材料——鎳基高溫合金，通過定向凝固技術(shù)、單晶鑄造、定向共晶自生技術(shù)等可以生產(chǎn)出高性能的渦輪葉片；通過粉末冶金技術(shù)可以得到高性能的渦輪盤。除此以外，陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料、金屬間化合物等都是日后航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的候選材料。

1.2.5復(fù)合材料

與傳統(tǒng)鋼、鋁合金、鈦合金等金屬相比，復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，而且復(fù)合材料還具備各種功能性、各向異性、可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，所以不管是軍用飛機(jī)還是民用飛機(jī)，復(fù)合材料的使用量都在不斷增加。如B787，按照重量計(jì)算，復(fù)合材料占了61%；A380上的復(fù)合材料占了25%，其中3%是鋁合金玻璃纖維復(fù)合材料（GLARE）。

2.教學(xué)方法

《航空材料學(xué)》這門課程涉及大量抽象概念和名詞，很多微觀組織如果只是靠教師口述講授就比較枯燥，同學(xué)們掌握起來也非常困難。教師需要以各種不同形式呈現(xiàn)不同內(nèi)容。

2.1現(xiàn)場小實(shí)驗(yàn)。

正所謂“眼見為實(shí)，耳聽為虛”，如果同學(xué)們自己也能參與到課堂當(dāng)中，那么對該部分內(nèi)容留下的印象必定是深刻的。如講述“單晶體和多晶體”的時(shí)候，可以展示單晶冰糖和多晶冰糖進(jìn)行類比，通過多晶冰糖說明多晶體是由晶粒和晶界組成的。

講述“斷裂韌性”的時(shí)候會(huì)涉及裂紋的三種擴(kuò)展形式——張開型、滑開型和撕開型，而其中張開型最容易擴(kuò)展。為了說明這樣一個(gè)問題，可以準(zhǔn)備幾個(gè)蘋果，讓同學(xué)們分別采用掰、滑和扭的方式把蘋果分成兩瓣，最終發(fā)現(xiàn)掰的方式最容易把蘋果分開，證實(shí)了張開型最容易擴(kuò)展的結(jié)論。

再如講述“熱加工”的時(shí)候可以準(zhǔn)備一根鉛絲和一根鋼絲，讓同學(xué)們反復(fù)折彎，鋼絲在反復(fù)折彎的過程中越來越硬，最后斷裂，而鉛絲卻一直處于很軟的狀態(tài)。通過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明兩者的再結(jié)晶溫度不同，鉛絲在室溫下變形其實(shí)是熱加工的過程，而鋼絲則是冷加工的過程。

在講述“退火、正火、淬火和回火”的時(shí)候，可以準(zhǔn)備一盞酒精燈、兩根鋼絲、一把鉗子和一杯冷水。用鉗子夾住鋼絲在酒精燈上加熱，加熱到鋼絲發(fā)紅以后，把其中一根放在空氣中慢慢冷卻，另一根放在冷水中快速冷卻。等到兩根鋼絲完全冷卻以后，讓同學(xué)們分別對它們折彎，用水冷卻的比較硬而自然冷卻的比較軟，由此說明淬火和正火的區(qū)別。

在講述“纖維組織”的時(shí)候，為了便于同學(xué)們理解纖維組織的各向異性可以給同學(xué)們分發(fā)“牛肉干”，讓他們分別橫向咬及縱向咬。橫著咬牛肉干比較難以咬斷，豎著咬則很容易把牛肉撕下來。

……

這樣一些小實(shí)驗(yàn)可以讓同學(xué)們對所學(xué)內(nèi)容興趣大增，同時(shí)可以幫助他們理解和掌握相關(guān)知識。

2.2充分運(yùn)用多媒體。

與文字相比，圖片、動(dòng)畫、視頻更能讓人留下深刻的印象，更能幫助人理解抽象的事物。如講述“材料的力學(xué)性能”的時(shí)候并不是所有實(shí)驗(yàn)都可以動(dòng)手操作，播放視頻可以幫助同學(xué)們理解和掌握；講述“疲勞現(xiàn)象”的時(shí)候，以2007年美軍的F-15由于服役年限太長最終因?yàn)槠诎l(fā)生空中解體的視頻作為引子，讓同學(xué)們留下深刻的印象；把“晶胞”“晶粒生長的過程”……做成動(dòng)畫的形式，有助于同學(xué)們把抽象的事物具體化，降低理解的難度；講述“復(fù)合材料”的時(shí)候，可以利用視頻更好地幫助同學(xué)們理解復(fù)合材料的性能、優(yōu)點(diǎn)，等等。如國家地理頻道拍攝的有關(guān)A380的技術(shù)問題的紀(jì)錄片中就很好地講述了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能，從成吉思汗打仗時(shí)候用的弓講起說明復(fù)合材料性能的優(yōu)越性。再使用“雞大炮”分別轟擊鋁合金板和加了玻璃纖維的鋁合金板（GLARE），對比出后者的優(yōu)越性能。這樣的視頻從視覺上就對同學(xué)們產(chǎn)生了很大的沖擊，使同學(xué)們印象深刻，加深記憶和理解。

2.3結(jié)合專業(yè)背景，多運(yùn)用案例。

本門課程的授課對象是機(jī)務(wù)維修專業(yè)的學(xué)生，所以講述內(nèi)容的時(shí)候不能脫離民航這個(gè)大背景，這樣同學(xué)們才會(huì)覺得和自己息息相關(guān)。如在緒論部分講述材料的發(fā)展史的時(shí)候以材料在航空中的應(yīng)用為實(shí)例。100多年前（1903-1919），人們用來制作飛機(jī)的材料是木材和布，如萊特兄弟研發(fā)的“飛行者一號”，順帶講講萊特兄弟的有趣事情；20世紀(jì)30年代，鋁合金和鋼開始發(fā)展，鋼管開始代替木材作為飛機(jī)的骨架，飛機(jī)的蒙皮開始使用鋁合金，出現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)。飛機(jī)的強(qiáng)度提高了，氣動(dòng)外形變好了，飛機(jī)的性能提高了。如德國在二戰(zhàn)中使用的主力戰(zhàn)機(jī)“Me-109型戰(zhàn)斗機(jī)”；50年代，鈦合金的應(yīng)用使得飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)幾倍音速飛行，如美國的“SR-71黑鳥偵察機(jī)”就可以達(dá)到三倍音速；70年代，復(fù)合材料的應(yīng)用大大減輕飛機(jī)的重量，復(fù)合材料被用在一些不需要承受載荷的地方，如艙門、口蓋，后來逐漸開始用來制作一些次承力結(jié)構(gòu)，如減速板、尾翼。如美國的“F-14戰(zhàn)斗機(jī)”，復(fù)合材料的使用量達(dá)到了20%。目前，不管是民航飛機(jī)還是軍用飛機(jī)都廣泛使用復(fù)合材料，如“F-35”，“B787”，“A380”，等等。通過這樣一系列案例的描述，同學(xué)們理清了航空材料的發(fā)展史，也提高了學(xué)習(xí)興趣。

除了上面所述的幾點(diǎn)以外，老師還需要根據(jù)同學(xué)們上課的反應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)形式，甚至可以選取某些簡單的章節(jié)讓同學(xué)們準(zhǔn)備內(nèi)容上講臺講述，老師可以適當(dāng)補(bǔ)充。通過多樣化教學(xué)方式提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。

3.結(jié)語

針對民航機(jī)務(wù)工程專業(yè)的學(xué)生，在教授《航空材料學(xué)》這門課程的時(shí)候應(yīng)多注重實(shí)例講述。首先介紹材料的基礎(chǔ)知識，然后分別介紹各種材料。對鋼的部分進(jìn)行壓縮，基本舍棄鑄鐵的部分，重點(diǎn)講述鋁合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫材料和復(fù)合材料部分內(nèi)容。在教學(xué)過程中通過各種小實(shí)驗(yàn)、圖片、動(dòng)畫、視頻、和航空有關(guān)的各種案例和故事……提高同學(xué)們對該門課程的學(xué)習(xí)興趣，使同學(xué)們輕松掌握航空材料的相關(guān)知識，為以后工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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