民航机务工程专业“航空材料学”教学内容和方法探讨

金冉等

摘 要： 针对民航机务工程专业学生的特点，对《航空材料学》课程教学内容进行删减和补充，注重实例讲述，重点讲述铝合金、钛合金、超高强度钢、高温材料和复合材料。在教学过程中通过各种小实验、图片、动画、视频和航空有关各种案例和故事，提高学生对该门课程的学习兴趣、教学质量和成效。

关键词： 航空材料 民航机务 教学内容 教学方法

航空材料与航空技术的关系极为密切，随着航空材料的发展，航空业不断向前发展。机务维修人员必须对航空材料有所了解，所以民航机务工程的教学计划中有一门针对材料的重要专业课程，就是《航空材料学》。

1.教学内容

航空材料指的是用来制造航空飞行器的材料。民用飞机包括飞机机体、发动机、机载设备和机舱四大部分材料，机体和发动机使用的材料为结构材料，机载设备使用的则是功能材料。对于民航机务工程专业的同学们来说，以后从事的工作主要是飞机机体和发动机部分的维修，所以在对本专业同学讲述《航空材料学》这门课程的时候，主要讲述的是结构材料。

在教材选取方面，与航空材料相关的书籍不少，如哈尔滨工业大学出版社的《航空材料学》，此教材内容较简要，而民航机务专业学生没有任何材料方面的先修课程作为基础，所以对于他们而言并不太适合。除此以外，如北京航空航天大学出版社的《航空工程材料》，国防工业出版社出版的《航空工程材料及应用》等，这些教材是专门为高职类航空院校编写的，本作者所在院校为独立学院。而且这些教材和机械类工程材料的教材相似度较高，偏重于传统钢铁材料，对飞机上使用的铝合金、钛合金、高温合金、复合材料等的描述较少，缺乏材料在飞机上的应用实例，而机务维修注重的恰恰是应用。当然也有论述航空材料非常详细、非常全面的书籍，如航空工业出版社出版的《航空材料技术》，但内容太多且比较深奥外加价格较贵，并不适合作为教材。在教学过程中，以高职教材作为基础，对传统钢进行压缩，基本舍弃铸铁部分，对铝合金、钛合金、超高强度钢、高温材料、复合材料进行内容上的增加和补充，详细介绍航空材料在飞机上的具体应用。同时考虑到机务工程专业除材料力学以外没有学习过材料类知识，对大量概念、术语难以理解，所以首先应对材料的基础知识进行介绍，包括材料的性能、结构和工艺，随后再具体介绍各类航空材料及应用。

1.1航空材料基础知识。

基础知识部分主要包括三方面内容——材料的性能、结构和工艺。材料的结构和工艺决定了材料的性能，而材料的结构和工艺又是相互影响的。性能部分包括材料的使用性能和工艺性能，重点讲述使用性能中的力学性能；结构部分包括纯金属的结构与结晶，合金的相结构与结晶的过程（合金相图）。主要通过“铁碳合金相图”说明材料的化学成分、组织结构与性能之间的相互关系；工艺部分包括金属的塑性变形与再结晶、钢的热处理。主要说明如何通过改变加工工艺从而改变材料组织，最终达到改变性能的目的。

1.2航空材料。

航空材料部分具体讲述的包括铝合金、钛合金、超高强度钢、高温材料和复合材料。

1.2.1铝合金

铝合金作为航空器结构材料的最突出特点是密度小、延展性好、耐腐蚀、易加工、价格低等。在当前在役的民用飞机中，铝合金在总结构用量上占70%～80%的比例。尽管先进复合材料和钛合金在新型号飞机上应用比例日益提高，但铝合金由于成本和工艺上的优势，在可预见的将来仍是民用飞机的主要结构材料之一。随着航空技术的发展，铝合金也在不断发展，如A380上使用的GLARE（玻璃纤维铝合金层合板）是铝合金与玻璃纤维的复合材料，提高了材料的压缩性能、抗冲击性能、成型性能和切削性能，降低了材料的成本。铝合金在飞机上的应用非常广泛，包括蒙皮、桁条、隔框、翼肋、翼梁、壁板、螺旋桨、油箱、起落架支柱等。

1.2.2钛合金

钛合金相对于铝合金等其他结构材料的突出优点包括比强度高、热强度高、抗蚀性高等。钛合金的强度和调质结构钢相近，而钛合金的密度比钢低得多，具有高的比强度。而且钛的熔点高，再结晶温度也高，所以钛合金具有较高的热强度。再加上钛表面能形成一层致密、稳定的，由氧化物和氮化物组成的保护膜，具有很好的抗蚀性能。在潮湿的大气、海水、氧化性酸（硝酸、铬酸等）和大多数有机酸中，抗蚀性与不锈钢相当，甚至超过了不锈钢。在民航飞机上钛合金可以部分替代钢，大大减轻结构重量；钛合金也被用来制造航空发动机的压气机部件等；航天器中被用来制造各种压力容器、燃料贮箱、仪器绑带、壳体等。

1.2.3超高强度钢

超高强度钢的特点就是强度高，主要用来制造飞机上的承力构件，最典型的就是起落架。今后，超高强度钢仍然还是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的材料。

1.2.4高温材料

随着航空涡轮发动机推重比的增加，发动机部件的工作环境日益苛刻。航空发动机部件的工作环境要求制造它们的材料必须能够承受高温、高应力、氧化和腐蚀等化学作用，所以需选择具有较高的热稳定性、高的热强度、良好的工艺性能的高温材料。如航空发动机涡轮盘和涡轮叶片的典型材料——镍基高温合金，通过定向凝固技术、单晶铸造、定向共晶自生技术等可以生产出高性能的涡轮叶片；通过粉末冶金技术可以得到高性能的涡轮盘。除此以外，陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、金属间化合物等都是日后航空发动机热端部件的候选材料。

1.2.5复合材料

与传统钢、铝合金、钛合金等金属相比，复合材料具有高的比强度、比模量、耐疲劳等优点，而且复合材料还具备各种功能性、各向异性、可设计性等特点，所以不管是军用飞机还是民用飞机，复合材料的使用量都在不断增加。如B787，按照重量计算，复合材料占了61%；A380上的复合材料占了25%，其中3%是铝合金玻璃纤维复合材料（GLARE）。

2.教学方法

《航空材料学》这门课程涉及大量抽象概念和名词，很多微观组织如果只是靠教师口述讲授就比较枯燥，同学们掌握起来也非常困难。教师需要以各种不同形式呈现不同内容。

2.1现场小实验。

正所谓“眼见为实，耳听为虚”，如果同学们自己也能参与到课堂当中，那么对该部分内容留下的印象必定是深刻的。如讲述“单晶体和多晶体”的时候，可以展示单晶冰糖和多晶冰糖进行类比，通过多晶冰糖说明多晶体是由晶粒和晶界组成的。

讲述“断裂韧性”的时候会涉及裂纹的三种扩展形式——张开型、滑开型和撕开型，而其中张开型最容易扩展。为了说明这样一个问题，可以准备几个苹果，让同学们分别采用掰、滑和扭的方式把苹果分成两瓣，最终发现掰的方式最容易把苹果分开，证实了张开型最容易扩展的结论。

再如讲述“热加工”的时候可以准备一根铅丝和一根钢丝，让同学们反复折弯，钢丝在反复折弯的过程中越来越硬，最后断裂，而铅丝却一直处于很软的状态。通过这样一个实验现象说明两者的再结晶温度不同，铅丝在室温下变形其实是热加工的过程，而钢丝则是冷加工的过程。

在讲述“退火、正火、淬火和回火”的时候，可以准备一盏酒精灯、两根钢丝、一把钳子和一杯冷水。用钳子夹住钢丝在酒精灯上加热，加热到钢丝发红以后，把其中一根放在空气中慢慢冷却，另一根放在冷水中快速冷却。等到两根钢丝完全冷却以后，让同学们分别对它们折弯，用水冷却的比较硬而自然冷却的比较软，由此说明淬火和正火的区别。

在讲述“纤维组织”的时候，为了便于同学们理解纤维组织的各向异性可以给同学们分发“牛肉干”，让他们分别横向咬及纵向咬。横着咬牛肉干比较难以咬断，竖着咬则很容易把牛肉撕下来。

……

这样一些小实验可以让同学们对所学内容兴趣大增，同时可以帮助他们理解和掌握相关知识。

2.2充分运用多媒体。

与文字相比，图片、动画、视频更能让人留下深刻的印象，更能帮助人理解抽象的事物。如讲述“材料的力学性能”的时候并不是所有实验都可以动手操作，播放视频可以帮助同学们理解和掌握；讲述“疲劳现象”的时候，以2007年美军的F-15由于服役年限太长最终因为疲劳发生空中解体的视频作为引子，让同学们留下深刻的印象；把“晶胞”“晶粒生长的过程”……做成动画的形式，有助于同学们把抽象的事物具体化，降低理解的难度；讲述“复合材料”的时候，可以利用视频更好地帮助同学们理解复合材料的性能、优点，等等。如国家地理频道拍摄的有关A380的技术问题的纪录片中就很好地讲述了复合材料的结构和性能，从成吉思汗打仗时候用的弓讲起说明复合材料性能的优越性。再使用“鸡大炮”分别轰击铝合金板和加了玻璃纤维的铝合金板（GLARE），对比出后者的优越性能。这样的视频从视觉上就对同学们产生了很大的冲击，使同学们印象深刻，加深记忆和理解。

2.3结合专业背景，多运用案例。

本门课程的授课对象是机务维修专业的学生，所以讲述内容的时候不能脱离民航这个大背景，这样同学们才会觉得和自己息息相关。如在绪论部分讲述材料的发展史的时候以材料在航空中的应用为实例。100多年前（1903-1919），人们用来制作飞机的材料是木材和布，如莱特兄弟研发的“飞行者一号”，顺带讲讲莱特兄弟的有趣事情；20世纪30年代，铝合金和钢开始发展，钢管开始代替木材作为飞机的骨架，飞机的蒙皮开始使用铝合金，出现了金属结构的飞机。飞机的强度提高了，气动外形变好了，飞机的性能提高了。如德国在二战中使用的主力战机“Me-109型战斗机”；50年代，钛合金的应用使得飞机能够实现几倍音速飞行，如美国的“SR-71黑鸟侦察机”就可以达到三倍音速；70年代，复合材料的应用大大减轻飞机的重量，复合材料被用在一些不需要承受载荷的地方，如舱门、口盖，后来逐渐开始用来制作一些次承力结构，如减速板、尾翼。如美国的“F-14战斗机”，复合材料的使用量达到了20%。目前，不管是民航飞机还是军用飞机都广泛使用复合材料，如“F-35”，“B787”，“A380”，等等。通过这样一系列案例的描述，同学们理清了航空材料的发展史，也提高了学习兴趣。

除了上面所述的几点以外，老师还需要根据同学们上课的反应实时调整教学形式，甚至可以选取某些简单的章节让同学们准备内容上讲台讲述，老师可以适当补充。通过多样化教学方式提高同学们的学习兴趣。

3.结语

针对民航机务工程专业的学生，在教授《航空材料学》这门课程的时候应多注重实例讲述。首先介绍材料的基础知识，然后分别介绍各种材料。对钢的部分进行压缩，基本舍弃铸铁的部分，重点讲述铝合金、钛合金、超高强度钢、高温材料和复合材料部分内容。在教学过程中通过各种小实验、图片、动画、视频、和航空有关的各种案例和故事……提高同学们对该门课程的学习兴趣，使同学们轻松掌握航空材料的相关知识，为以后工作打下坚实的基础。

参考文献：

[1]陶海军，梁文萍，顾冬冬.非材料学专业“工程材料学”的教学问题思考[J].科教文汇（下旬刊），2015，01：58-60.

[2]王毅强，卢翔，谭娜，郝鹏.“航空材料与工艺”课程综合教学改革实践与研究[J].教育教学论坛，2014，32：45-46.

[3]徐吉林，罗军明.航空材料类课程的教学内容整合及教学方法探讨[J].大学教育，2013，04：59-60.

[4]李亚娟.《航空材料》课程教学内容的分专业整合与探讨[J].时代教育，2014，05：38-39.

[5]周章文，姚东野，杨竹芳.飞行器动力工程专业航空材料学教学改革与实践[J].高等教育研究学报，2012，03：98-99.

[6]郭训忠.工程材料学教学的若干思考[J].科教文汇（上旬刊），2012，11：39-40.

[7]聂辉文，彭湘蓉.《金属材料与热处理》教学方法探讨[J].才智，2015，19：65.