从MIL-HDBK-5J到MMPDS-06发展变化的分析和思考

杨 天 石 健

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

将金属材料性能经合理有效的标准化手段进行积累固化，为结构设计师们提供可靠的设计依据，一直是不断发展和深化的世界性课题。早在上世纪60年代，美国军方率先迈出了历史性的一步，发布了被业界内誉为“宝典”的MIL-HDBK-5《航空与航天飞行器结构用金属材料与元件手册》。通过该手册，金属材料标准化工作者将航空航天领域中金属材料的科学研究、实际生产和工程应用紧密结合在一起，将标准化工作对系统效能的提升落到实处，使科研任务和采办项目中的各方从中获益。因内容详实、数据可信，该手册在我国航空航天结构设计和材料研发领域一直作为重要的参考资料。

2004年，历经40余年风雨的MIL-HDBK-5废止，发展为MMPDS《金属材料性能研发和标准化》手册。此次重大变革后，我国业内人士普遍希望了解这其中的变化，例如收录的新材料和发展的新思路等。本文将以MMPDS-06版本（2011年发布）和MIL-HDBK-5J（2004年发布，MIL-HDBK-5的最后一个版本）的对比分析为切入点，叙述从MIL-HDBK-5到MMPDS的发展中，其技术内容发展给我国带来的更多新选择，其管理形式创新给我国提供的可借鉴思路。

1 从MIL-HDBK-5J到MMPDS-06的发展变化概述

技术内容的发展变化情况主要体现在两个方面：一是收录最新研发的材料牌号：在MILHDBK-5J中共有110个，MMPDS-06比其多收录了23个，其中钢3个，铝合金17个，钛、镁和其他合金牌号各1个；二是进一步规范技术数据的采集和应用：补充了裂纹扩展抗力的测定，对数据采集中的6项测试方法进行了调整或细节补充，引入两种数据转化方法。

管理形式的发展变化情况也主要体现在两个方面：一是由美国军方管理的MIL-HDBK-5转变为军民融合式管理的MMPDS；二是在MMPDS中对紧固件性能数据引入了“自动消减条款”的管理手段。

2 技术发展给航空金属材料选用带来的新启示

2.1 铝合金材料的发展和应用

因其优异的比强度、比刚度和经济性，铝合金自上世纪60年代起发展为航空领域的重要金属材料之一。尽管受到先进复合材料的冲击，铝合金的用量比例在逐渐降低，以民机为例，由上世纪80年代的75%左右（B767-200），下降到本世纪最新机型的20%左右（B787、A350XWB）。但竞争促进铝合金供应商对新牌号的研发，为飞行器结构件提供更多、更好的选择。相比MIL-HDBK-5J，MMPDS-06中74%的新增牌号属变形铝合金，可见铝合金在航空用金属材料的发展中仍占有重要地位。

从新增牌号的分布看，2000系列9个，6000系列1个，7000系列7个。2000系列的新牌号均具有优异的高低温强度和抗蠕变性能，典型抗拉强度接近450MPa；7000系列的新牌号均的强度均超过450MPa，甚至可达550MPa以上的水平。由此可见，航空铝合金的研发方向是高强度铝合金。同时，锂、锌、锆、镁、铜、银等元素则作为这两个系列的主要添加元素，它们含量和配比与材料工艺和应用的系统设计，必将成为未来铝合金研发的重点之一。

从新增牌号的成分看，五元系铝合金占主要地位。据笔者分析，在成分设计中，因五元系铝合金析出相的物理结构种类较上一代四元系繁多，各析出相的位置在晶界和晶内各有偏好，它们对晶粒细化、晶界固化、弥散强化等起到综合性作用，进而对加工性能和使用性能的影响千差万别。依据热力学经验积累进行有目的的设计，配合不同的元素成分比、不同的热处理制度，可以突破四元合金的限制，并避免更高元合金的复杂性，生产出满足当前工艺技术水平、性价比有竞争力的新型铝合金。例如7085、7136和7140，它们的添加元素均为Zn、Mg、Cu和Zr。然而，7085强度高和韧性好，适合厚板和锻件；7136强度高和抗腐蚀性好，适合挤压产品；7140强度、抗腐蚀和抗剥离腐蚀的综合性能优异，适合厚板。

新增牌号满足了航空飞行器对新材料的需求。新收录的第3代铝锂合金2196，密度低、强度高、模量高和尺寸稳定性良好，适合挤压产品。并在需要高强度、高模量和高加工尺寸稳定性的航空构件中得到了应用，例如A380的地板主层梁；密度较低、产品成型厚度十分符合机翼上壁板需求的7056合金，可以在新机型的设计研发中考虑；设计用于替代7050的7085，强度和韧性高，淬火敏感性低。相比7050，如果二者屈服强度相等，7085有更高的断裂韧性，反之亦然。十分适合常用的150mm截面厚板，应用于新设计、系列和改型飞机的结构零件，包括翼梁、翼肋和整体加工件，例如A380的翼梁、翼肋；此外，还有2027，可推广应用于机翼下部结构；包铝2056，适合成型机身结构件。

另外，铝合金新增牌号还包括：2013、2050、2098、2099、2198、2297、6156、7068、7349和7449。

2.2 其他金属材料的发展和应用

Ferrium S5是本世纪初QuesTek公司在美国海军小企业创新研究项目支持下，基于材料设计技术研发出来的二次硬化马氏体耐蚀钢。它应用于需要高断裂韧性、高抗腐蚀性和高抗应力腐蚀性，并且抗拉强度高于1900MPa的场合。它适合各种品种和尺寸，包括坯料、棒材和锻件。相比同级别的300M和AerMet 100，其最大的优势在于抗腐蚀性，因此特别适合于海军舰载机起落架等部件使用。据该公司官网称，该钢目前在美国T-38教练机起落架上已应用一年，情况良好，无防腐处理的该钢比涂覆防腐涂层的传统起落架钢的抗腐蚀性还好。此事对该钢在取代必须涂覆特殊、昂贵、有毒涂层的传统钢种的道路上，提供了有力的支撑。另外，采用Ferrium S53制造的美国A10飞机起落架已装机开展测试工作。由此可以预期，该钢在航空领域应用前景良好。我国科研设计人员应对该钢进行关注，并分析和学习美国工程师在该钢研发中所使用的材料设计技术。

HSL180钢是上世纪90年代由日本白立金属公司研发的沉淀硬化马氏体不锈钢，适用于需要抗拉强度1800MPa以上、高断裂韧性和高抗腐蚀性的产品。它在高强度不锈钢中具有最佳的强度和断裂韧性的配合。产品以退火态的棒材或锻件供应。对我国航空设计人员来说，可考虑用该钢制造螺栓、固定器等高强度耐蚀部件。

MLX17钢是本世纪初由法国奥博杜瓦特钢公司研发出的马氏体时效钢，在很大范围的截面形状下，具有非常优异的缺口抗拉强度和断裂韧性。在H950状态下，抗拉强度可达1700MPa级别，并同时保持高断裂韧性和高抗应力腐蚀开裂性。当过时效达到H1000状态后，虽然强度降低140MPa左右，但能达到更高的韧性水平。通常以固溶退火的锻件、坯料、棒材、线材和带材等品种供应。我国目前对该牌号的钢种分析研究报道较少，据其官网和国外资料显示，该钢在航空中应用是起落架结构件，并无需使用特殊、昂贵、有毒涂层涂覆。建议我国相关人员对该钢进行全面了解和研究。

新收录的镁基铸造合金EV31A（Elektron 21），代表了本世纪初镁合金铸件最高的技术水平。它阻燃性良好、易铸造、耐腐蚀性好、高温性能好，可用于喷气发动机及直升机的减速器机匣。有报道称英国伊利可创镁业公司将为芬梅卡尼卡集团阿古斯塔•韦斯特兰公司的新一代高性能直升机供应此牌号的镁合金；钛合金作为十分具有潜力的航空航天材料，近年行业内对其主要的研究工作在于降低其生产和加工成本。新增双相钛合金Ti-4Al-2.5V-1.5Fe的设计初衷正是为了提高钛合金的高、低温加工性能。它在与Ti-6Al-4V合金同等的强度下，具有良好的韧性。轧制状态下，它具有细小的α＋β双相显微组织结构，可以薄板、带材、卷材和厚板供应；新收录的铜镍锡合金，成分为Cu-15Ni-8Sn，属于亚稳态沉淀合金，具有极好的抗腐蚀性能，氢脆不敏感，在H2S和HCl环境下的具有抗裂纹性能；在高温合金领域，给原有的718合金增加了800˚F、1000˚F、1200˚F、1500˚F温度下，应变和断裂周期图、振幅和循环应力－应变图、应变幅度和平均应力幅图。对其应力强度因子范围和疲劳裂纹扩展速率图给出了数据点列表。并给Rene41合金和L605合金重做了相应的蠕变图。

2.3 其他技术内容的分析

从数据的采集项目上看，MMPDS对断裂韧性内容进行补充，增加了裂纹扩展抗力指标，通过KR曲线表征金属材料在平面应力（I型）静载下对破坏的抗力，而KR曲线是记录韧性发展（对裂纹扩展的抗力）随有效裂纹扩展的变化。基于此方法，可以开展许多特殊的断裂评估，例如表层裂纹增殖、加强筋板的残余强度计算等。

对于数据采集时所采用的测试方法的进一步补充规定主要包括：短横向拉伸、压缩、剪切和挤压的试样的最小厚度要求；剪切测试方法选用放宽为ASTM B 769 和 B 831，一般厚度/直径6.5mm以上试样，使用B 769，以下使用B 831，测试时晶粒方向和加载方向必须指明；平均热膨胀系数的测试方法由ASTM E 228 变为 ASTM E 831，从膨胀计法变为了热动力分析法；补充数据传递中的特殊规定，解决在某些情况下，一些小数量级数据英制公制转换后进行对数变换时，出现0甚至负值的问题。

新引入的两个数据转化方法进一步扩展了MMPDS中数据的应用：一是“用于非线性静态分析的基于流变应力许用值”，可将工程应力应变曲线转化为应变和流变应力的曲线，进而用流变应力数据来分析超过弹性比例极限后的材料受力变形情况；二是“从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基值来估计材料拉伸的屈服和断裂的平均值的方法和原理。

3 管理创新给航空材料标准管理带来的新思路

3.1 军民融合的标准管理

MIL-HDBK-5转化为MMPDS的大背景是上世纪90年代开始的美军装备采办机制改革和军民标准通用化战略的推进。具体做法是将MIL-HDBK-5退出美军标的有效目录，成立由联邦航空管理局、国防部陆海空三军、飞机制造商（例如波音公司、诺斯罗普公司、洛克希德公司）和材料及零件生产商（例如Alcoa、Allvac、Howmet、PCC及Timet）共同参与的MMPDS委员会，负责对MMPDS手册进行管理维护，非盈利机构巴泰尔研究中心负责运营。同时，联邦航空管理局、美国国防部所属机构和美国国家航空航天局宣布采纳和使用MMPDS手册。

随着我国深化改革的进一步推进，航空装备领域的军民融合式发展是大势所趋。我国军用航空材料作为航空装备的基础，同时可应用于民用航空、汽车等方方面面，军民通用的潜力巨大。MMPDS作为航空材料标准化领域的重大手册，其军民融合式的管理为我国航空材料标准的管理提供了新思路，即由军方联合装备设计制造商和材料供应商，依航空材料专业领域由成立委员会，对该领域内因装备需求而研发的新材料及其标准进行联合管理推广，既做到对军用航空材料标准的切实管控，又促进了其民用发展。同时，该委员会也将促进优质民用材料标准的军民交流。

3.2 自动消减的内容管理

MMPDS给我们带来的另一个重要管理思路是引入“自动消减条款”对标准的技术内容进行管理。该条款的基本内容是给事物设定自动失效的日期。在MMPDS中的表现是对紧固件性能数据表设定7年的有效期，到期前依据复查结果，保留或删除。复查方式是对于任一紧固件的性能数据表，要求其原始数据的提供者或其他感兴趣的组织依照MMPDS紧固件工作组对测试条件做出的相关规定，重新提交一份实测数据，然后由该工作组审核。如果没有数据反馈或反馈数据审核不合格，数据性能表中的数据将被删去，仅保留表的位置和说明。从实施情况来看，MMPDS-06中133种紧固件力学性能的表中，已有40个被删除数据。

在我国标准化的管理工作中，使用“自动消减条款”实现对标准质量和数量的科学化管控，将是十分值得探索和实践的方向。在航空材料标准化领域，“自动消减条款”可以让标准的管理机构、结构设计师、材料起始供应方、材料加工方和材料使用方，与标准的有效或废止状态按时间周期联系起来，进而推动材料标准与技术的螺旋式上升发展。

4 结束语

本文通过进行MIL-HDBK-5J和MMPDS-06的对比分析，揭示了MIL-HDBK-5发展为MMPDS时，其技术内容中新增的材料牌号等内容非常值得我国航空结构设计师和材料工程师对其进行深入研究，其管理方式上的创新值得我国航空材料标准化工作者进行研究和学习。同时，MMPDS将在航空金属材料领域中继续发挥其不可替代的作用。

[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] 刘 兵，彭超群，王日初等.大飞机用铝合金的研究现状及展望[J].中国有色金属学报.Vol.20 No.9,2010.

[4] 李红萍.铝合金在飞机上的应用[J].民用飞机设计与研究.2003.

[5] 文邦伟，龚维强，朱蕾等.航母舰载机用高强、高韧、耐蚀不锈钢[J].装备环境工程.Vol.4 No.6, 2007.