抗拉强度和屈服强度的单位(战斗机哪个部件结构强度最高？答案可能出乎意料)

一架战斗机，身上可以说全身是宝。拿F-15战机来说，一架F-15全身有37.3%都是铝合金，其次是钛，占到了25.8%；而我们所熟知的钢材料，只占到结构重量的5.5%。除此之外就是非金属复合材料。

F-15结构重量组成

我们来看看占这25.8%的钛。在航空领域，钛一般是以钛合金形式应用的，最常见有Ti-6Al-4V等8种钛合金。F-15的机身结构大框就是由钛合金构成。那么这种钛合金的强度有多少呢？Ti-6Al-4V稍微弱一点，屈服强度825MPa，抗拉强度895MPa。强一点的Ti-10V-2Fe-3Al 可以达到1105MPa的屈服强度，抗拉强度大到1240MPa，相当于AMS 4983钢的水平。不过听起来不够理想，因为这还没有达到超高强度钢的标准。

F-35的钛大框

那么起落架是什么样的呢？我们知道，飞机在着陆瞬间的冲击力是非常大的，小小的起落架，要遭受相当于飞机2～3倍的重力的冲击。从F-15开始，美国开始使用300M号钢制作起落架，这是一种超高强度的合金钢。

起落架的结构非常复杂

F-15主起落架

300M从F-15开始应用，并且迅速成为了美国三代机甚至四代机的主起落架钢材。300M是掺杂了铬，钒，钛，锰，镍，钼的合金，屈服强度可以达到230ksi（千磅每平方英寸，相当于6.895MPa），也就是1586MPa；抗拉强度则达到280ksi，相当于1931MPa。有意思的是，该起落架钢材我国在80年代也已经攻克，应用在了歼-8、歼-10等机型上，可以说是个了不起的进步。

300M钢的元素比例

300M钢的抗拉强度和屈服强度

那么起落架是不是就是战机身上强度最高的金属材料了呢？其实还不是。一种叫尾钩的活动部件才是。尾钩（ tailhook），是战斗机机腹部的一个可活动构件，平时贴在机腹上，着陆时向下伸出；当然这个不部件并非是什么战机都有，一般是舰载机才有，美国的一些陆地起降的战斗机比如F-15，F-22，F-35A也有这种结构。

F-14着舰过程

阵风-M尾钩

歼-15尾钩

像F-15和F-22这种陆地起降战斗机也是有尾钩的

各国的尾钩的设计结构其实大同小异，都是需要一个在机腹设置一个回转副，回转副拥有俯仰和左右两个方向的自由度；这样在放下尾钩的同时也允许尾钩在左右方向上有一定摆动自由度。同时还需要有一个释放机构来释放尾钩，释放后尾钩向下回转到固定角度。在尾钩的末梢，有一个用于钩住阻拦索的钩状结构，也是一个回转副结构，这是为了使钩子能够以合适角度钩住阻拦索，达到最稳固的接触状态。降落期间，飞行员会让尾钩钩到跑道上的阻拦索（Arresting gear），让飞机迅速减速直至停下。

F-14着舰尾钩

我们知道，通常一架重型战斗机的空重就可以达到15吨以上，像Su-33和我国的歼-15更是达到18吨以上，着陆时仍然会携带一定安全燃油量。这样重量可以达到20吨左右，降落速度可以达到时速300公里。所以这要求尾钩必须拥有非常高的抗拉强度，和抗疲劳性。除此之外，尾钩也必须有非常好的耐磨性，因为每次舰载机降落瞬间，尾钩都会最先触碰到跑道，摩擦一段距离后才会勾住阻拦索；最后是耐腐蚀性，因为舰载机必须在高盐高湿的恶劣环境下工作。

从视频上看从着陆到停下用了2秒左右

某年高考真题,歼-15从0.4s着陆到3.0s完全停下，也就是用了2.6秒

所以尾钩一般使用的是一根粗壮的超高强度的合金钢。比如美国的Questek公司就是美国海军舰载机尾钩钢材的供应商之一，他们提供尾钩的钢材Ferrium M54，相当于美国标准AMS 6516号的水平，和300M一样，都属于铬-钒合金钢。我们知道，尾钩再粗也不可能有起落架那么粗壮，所以对它的钢材选用也必须更加苛刻。

尾钩和人的对比

下图Ferrium M54钢和起落架使用的300M钢进行对比。我们可以看到在屈服强度和抗拉强度上，还是Ferrium M54还是全面领先300M的。它的屈服强度达到了251ksi，抗拉强度也达到了293ksi，分别相当于1730MPa和2020MPa！在延伸率上，Ferrium M54达到15%，也高于300M的11%；而在断裂韧性上，则超出了300M一倍。其他指标也全部领先300M。所以实际上战斗机的尾钩才是整个机身上强度最高的金属部件。

Ferrium M54和300M钢的机械性能对比

钢铁在先进飞机上虽然用的少，但都不是吃素的。和这些部件的钢材料比，潜艇耐压壳体用钢的强度水平也不算什么；说一点题外话，前几年我国两岸三地联合攻克的D&P特种钢，其实是抗拉强度达到了2200MPa而不是屈服强度2200MPa。除此之外这种钢还有个指标也不错，就是延伸率大于15%，这意味着断裂韧性好；这消息一出，很多媒体跟风报道，说我们的潜艇耐压壳体用的钢材解决了，一阵欢呼雀跃。其实，这种钢并不能用在大家众望所归的潜艇耐压壳体和航母甲板上，且不说潜艇其实屈服强度其实只需要900-1000MPa就可以很好地满足要求，D&P的2200MPa指的也不是屈服强度（当然这个钢的屈服强度肯定也不会太低）；就说这种钢10%的含锰量和0.47%的含碳量就已经判了它上潜艇的死刑，因为这种钢可焊接性较差，用来造潜艇，光一个焊接都搞不定。但是这种钢如果用来做飞机的着舰尾钩，起落架以及其他的高承力位置的部件，以及航天和汽车领域，还是非常很合适的，也许这才是研究D&P钢的真正意义。