Tải trọng và kết cấu máy bay HUST

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

TẢI TRỌNG VÀ KẾT CẤU MÁY BAY
Chủ đề: Vật liệu hàng khơng
Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1
Họ và tên

MSSV

Phùng Đức Minh

20152493

Phạm Tuấn An

20150014

Nguyễn Thị Thiên Trang

20153886

Lê Phạm Hùng Anh

20150066

Hà Nội, 6/2019


Mục lục

Vật liệu hàng không

LỜI MỞ ĐẦU
Với bài báo cáo này, chúng em nghiên cứu về vật liệu sử dụng trong kể cấu
hàng không. Các cấu trúc kết cấu trên máy bay sử dụng các tấm mỏng, gia cường,
khung và chất làm cứng, được chế tạo từ các vật liệu nhẹ, độ bền cao, trong đó hợp
kim nhơm là ví dụ được sử dụng rộng rãi nhất. Vật liệu máy bay là thành phần rất
quan trọng trong việc phát triển ngành hàng không.
Một số yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu cho cấu trúc cho máy
bay, nhưng trong số này, độ bền với khối lượng nhẹ có lẽ là quan trọng nhất. Ngồi
ra cịn các tính chất khác, mặc dù đơi khi rất quan trọng, đó là độ cứng, độ bền, khả
năng chống ăn mòn, mệt mỏi, ảnh hưởng của hệ thống môi trường và điều áp, dễ
chế tạo, tính sẵn có và tính nhất qn của nguồn cung, và, khơng kém phần quan
trọng, chi phí.
Các nhóm vật liệu chính được sử dụng trong chế tạo máy bay là gỗ, thép,
hợp kim nhôm, gần đây hơn là hợp kim titan và vật liệu tổng hợp sợi gia cường.
Trong lĩnh vực thiết kế động cơ, hợp kim titan được sử dụng trong giai đoạn đầu
của máy nén, trong khi hợp kim hoặc thép dựa trên niken được sử dụng cho giai
đoạn nóng hơn sau này. Vì bài báo quan tâm chủ yếu đến các vật liệu liên quan đến
việc xây dựng về khung máy bay, thảo luận về các vật liệu được sử dụng trong sản
xuất động cơ nằm ngoài phạm vi của bài báo cáo này.

3


Vật liệu hàng không

Chương 1. Vật liệu

1.1 Nhôm
1.1.1 Kim loại nhơm

Hình 1 Nhơm
•

Nhơm là ngun tố phổ biến thứ 3 (sau ôxy và silic), và là kim loại phổ biến
nhất trong vỏ Trái Đất. Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của Trái Đất.
Quặng chính chứa nhơm là bơ xít.

•

Nhơm là một kim loại mềm, nhẹ với màu trắng bạc ánh kim mờ, vì có một
lớp mỏng ơxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngồi khơng khí. Tỷ
trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm (chỉ
sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia cơng trên máy móc hay đúc;
nó có khả năng chống ăn mịn và bền vững do lớp ơxít bảo vệ. Nó cũng
khơng nhiễm từ và khơng cháy khi để ở ngồi khơng khí ở điều kiện thông
thường
4


Vật liệu hàng không
1.1.2 Hợp kim của nhôm
Nhôm nguyên chất là vật liệu độ bền thấp, linh hoạt khơng có ứng dụng vào
cấu trúc. Tuy nhiên, khi cho nhôm với các kim loại khác tính chất của nó được cải
thiện hơn nhiều. 3 nhóm hợp kim nhơm được sử dụng trong cơng nghiệp hàng
khơng trong nhiều năm và vẫn có vai trị chính trong kết cấu máy bay. Đầu tiên
trong số đó, hợp kim nhơm với đồng, magie, mangan, silic và sắt với tỷ lệ thành
phần 4% đồng, 0,5% magie, 0,5% mangan, 0,3%silic và 0,2% sắt. Loại hợp kim

này có tên là Đu-ra. Trong rèn, xử lý nhiệt, ở điều kiện tự nhiên, hợp kim này chịu
ứng suất ít nhất 230N/mm2, độ bền kéo ít nhất 390N/mm2, và chuyển vị dài
khoảng 15%.
Nhóm hợp kim thứ 2, thêm vào thành phần hợp nhóm hợp kim 1 2% Niken,
lượng magie cao hơn. Điều quan trọng nhất của loại hợp kim này là sự duy trì độ
bền ở nhiệt độ cao, làm chúng phù hợp với chế tạo động cơ hàng không. Sự phát
triển hợp kim nhôm bởi Rolls-Royce và High Duty Alloys thay thế niken bằng sắt
và giảm lượng đồng, gọi là hợp kim nhôm Roll-Royce dùng để rèn và đúc động cơ
hàng khơng.
Nhóm hợp kim thứ 3 thêm kẽm và magie cho độ bền cao và có thành phần
tiêu biểu là 2,5% đồng, 5% kẽm, 3% magie và nhiều nhất 1% nikel, với tính chất cơ
học là ứng suất 510N/mm2, ứng suất kéo 585N/mm2. Trong công nghiệp hiện đại,
nikel đã được loại bỏ và thêm vào crom và tăng lượng manga.
Các loại hợp kim được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không, vỏ, và
những bộ phận chịu ứng suất khác, lựa chọn hợp kim nhôm dựa vào các hệ số như
độ bền, độ dẻo, dễ sản xuất, chống ăn mòn, khả năng chịu mỏi, độ bền phá hủy, khả
năng chống lan truyền vết nứt. Dễ thấy rằng các loại máy bay khác nhau có các yêu
cầu kết cấu khác nhau.

5


Vật liệu hàng không
Thật không may, để cải thiện 1 tính chất thì phải bỏ 1 tính chất khác. Ví dụ,
trường hợp độ bền tĩnh cao của hợp kim nhôm kẽm magie đã được đi kèm trong
nhiều năm bởi 1 khuynh hướng nứt khi khơng có tải do các ứng suất bên trong, quá
trình rèn và tác dụng nhiệt. Mặc dù hàm lượng thành phần phải giảm vấn đề này
đáng kể. Những máy bay vận tải trước chiến tranh đã sớm thử nghiệm số lượng lớn
các phá hủy do ăn mòn, rèn và đúc. Vấn đề trở nên căng thẳng vào năm 1953, dẫn
đến quyết định thay thế hết các bộ phận sử dụng hợp kim này bằng hợp kim Nhôm4% đồng. Hợp kim nhôm L65 và cấm sử dụng phương pháp rèn đới với hợp kim

kẽm trong các thiết kế. Tuy nhiên, sự cải thiện ứng suất ăn mòn của hợp kim nhơm
kẽm magie có kết quả vào những năm gần đây do Anh, Mỹ, và Đức tìm ra. Cả Anh
và Mỹ đều đồng ý với ý kiến lợi ích từ 1% đồng nhưng không đồng ý với việc có
thành phần của crom và magan, trong khi Đức thấy rằng thêm bạc vào sẽ cực kỳ có
lợi. Cải thiện kỹ thuật đúc mang lại lợi ích xa hơn trong hạn chế ứng suất ăn mòn.
Sự phát triển hợp kim nhôm kẽm magie đồng trỏ nên rộng rãi, cùng với các yêu cầu
đối với hợp kim nhôm về ứng suất kéo lớn, sự phát triển vét nứt, và chịu uốn.
Nhóm hợp kim đầu tiên có độ bền tĩnh thấp hơn hợp kim nhôm – kẽm nhưng
được ưu tiên cho các phần của cấu trúc trong đó các cân nhắc về mỏi là quan trọng
hàng đầu, chẳng hạn như mặt dưới của cánh, nơi tải trọng mỏi kéo chiếm ưu thế.
Thực nghiệm cho thấy trong điều kiện tự nhiên hợp kim này có ưu điểm về chịu
nhiệt, độ bền mỏi và khả năng phát triển vết nứt. Xa hơn, thành phần tỷ lệ phần
trăm của magie đã được tìm ra, tại Mỹ, để sản xuất, trong điều kiện tự nhiên, tính
chất cơ học giữa hợp kim tự nhiên và nhân tạo. Hợp kim này đã thiết kế 2024
(nhôm-đồng từ phiên bản 2000) có thành phần bình thường 4,5% đồng, 1,5%
magie, 0,6% mangan, cịn lại là nhơm. Sự chú ý đến hợp kim nhôm magie silic gần
đây đã phát triển, mặc dù chúng đã được dùng trong công nghiệp hàng không hàng
thập kỷ qua. Lý do là chúng rẻ hơn hợp kim nhơm đồng và giảm chi phí chế tạo.
Thêm vào đó, các biến thể như là hợp kim nhôm ISO 6013, đã được cải thiện tính
6


Vật liệu hàng khơng
chất và có độ bền phá hủy cao và khả năng phát triển vết nứt giống với phiên bản
2000. 1 mẫu hợp kim nhôm đặc biệt đã được phát triển cho máy bay đặc biệt. Một
ví dụ nổi bật là sử dụng Hiduminium RR58 như vật liệu thành phần cơ bản, thiết
kế CM001, để sử dụng cho máy bay Concorde. RR58 là hợp kim phức tạp của
nhôm đồng magie nikel sắt phát triển trong những năm thế chiến 1939-1945 đặc
biệt cho chế tạo thành phần tuabin khí của động cơ hàng khơng. Thành phần hóa
học của phiên bản này đã dùng cho máy bay Concorde đã được quyết định bởi

nhiệt độ, mỏi, và độ kiểm tra kéo và chi tiết như sau:

Hình 2 Hợp kim nhơm
Các kỹ sư thiết kế muốn chế tạo máy bay hoàn toàn bằng Dura vì độ phổ
biến, giá thành rẻ và dễ chế tạo. Nhiệt độ cao nhất nhơm chịu được khí máy bay
hoạt động là 127 độ C, nên giới hạn hoạt động của máy bay là M=2.02.
Loại hợp kim nhôm mới nhất được tìm ra và sử dụng trong cơng nghiệp hàng
không là aluminum-lithium. Hợp kim Al-Li là hợp kim của nhôm với lithium thông
thường bao gồm cả đồng và ziriconi. Khi lithium là một kim loại nguyên tố có tỷ
trọng rất thấp, thì nếu bổ sung vào nhơm sẽ cho hợp kim có tỷ trọng thấp hơn nhơm
ngun tố. Nếu bổ sung vào hợp kim một lượng 1% lithium thì sẽ làm cho hợp kim
Al-Li nhẹ đi 3% và tăng độ cứng lên 5%. Hợp kim Al–Li thương mại chiếm 2,45%
lithium theo khối lượng.
Hợp kim Al-Li rất quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vũ
trụ, do lợi thế về trọng lượng riêng. Hiện tại hợp kim này đang được sử dụng cho
ngành hàng không và các dự án máy bay lên thẳng.
7


Vật liệu hàng khơng

Hình 3 Máy bay Concorde
Phơi và phế liệu cũng như các vật liệu tái chế của hợp kim Al-Li phải để
riêng và không được để lẫn với các nhón hợp kim của nhơm khác, bởi vì chúng có
thể gây cháy nổ rất nguy hiểm.


Tổng quan: nhơm có 4 hợp kim chính:

•

Đu-ra: hợp kim của Al-Cu

•

Al-Niken

•

Al-Zn

•

Al- lithium

8


Vật liệu hàng khơng
Ngồi ra cịn có Al-Si,… tùy vào lượng kim loại tạo thành hợp kim mà tính
chất và tên gọi của hợp kim sẽ khác nhau. Ví dụ: hợp kim nhôm 7075 là nhôm, kẽm
và hợp kim magie, hợp kim nhôm 6061 là magie, crom và hợp kim silicon.


Phân loại hợp kim nhôm:



Hợp kim nhôm biến dạng: Được chia làm hai loại là hợp kim nhơm biến
dạng hố bền được bằng nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng khơng hố

bền được bằng nhiệt luyện.



Hợp kim nhơm đúc.

1.1.3 Ứng dụng
Nhôm và hợp kim của nhôm đứng thứ hai (sau thép) về sản xuất và ứng
dụng. Điều này do nhơm và hợp kim nhơm có các tính chất phù hợp với nhiều công
dụng khác nhau, trong một số trường hợp ứng dụng của hợp kim nhôm không thể
thay thế được như trong công nghệ chế tạo máy bay và các thiết bị ngành hàng
không khác.
Trong công nghiệp hàng không, hợp kim nhôm được sử dụng để chế tạo vỏ,
khung sườn, dầm, thanh ngang của máy bay vì tính chất nhẹ hơn so với những kim
loại khác. Tùy vào loại máy bay khác nhau mà lượng nhôm hợp kim sử dụng cho
máy bay là khác nhau. Ví dụ, hợp kim nhôm được sử dụng trong máy bay Boeing
767 chiếm khoảng 81% cấu trúc cơ thể. Máy bay quân sự yêu cầu hoạt động vận
hành tương đối tốt để giảm lượng nhơm, ví dụ máy bay chiến đấu hạng nặng F-15
chỉ sử dụng hợp kim nhôm 35,5%.
Nhôm và hợp kim nhôm cịn có vị trí khá quan trọng trong ngành chế tạo cơ
khí và xây dựng. Trong lĩnh vực xây dựng, hợp kim nhôm được ứng dụng nhiều
vào sản xuất các sản phẩm cửa cổng nhôm đúc, hàng rào và cầu thang nhơm đúc:
hàng hải và dầu khí, thốt nước, phụ tùng xe đạp, vành ô tô.
9


Vật liệu hàng không
Tỷ lệ khối lượng các vật liệu trên máy bay B787, sau khi vật liệu composite
xuất hiện thì tỷ trọng nhơm giảm.

Hình 4 Vật liệu trên máy bay
1.2 THÉP
Việc sử dụng thép để sản xuất xà dọc có thành mỏng, hình hộp trong những
năm 1930 đã được thay thế bởi các hợp kim nhôm được mô tả trong Phần 10.1. Rõ
ràng trọng lượng riêng cao đã ngăn chặn việc sử dụng rộng rãi nó trong chế tạo
máy bay, nhưng nó đã được giữ lại làm vật liệu đúc cho các thành phần nhỏ đòi hỏi
độ bền kéo cao, độ cứng cao và khả năng chống mòn cao. Các thành phần như vậy
bao gồm khung trụ trục bánh xe, tập tin đính kèm gốc cánh, ốc vít và đường ray.
Mặc dù thép đạt được độ bền kéo cao và cực cao, nhưng người ta thấy rằng
các tính chất khác bị mất đi và rất khó để sản xuất hợp thành thành phẩm. Để khắc
phục những khó khăn này, các loại thép được gọi là thép tổng hợp được phát triển
vào năm 1961, từ đó carbon bị loại bỏ hồn tồn hoặc chỉ có một phần rất ít.
Carbon: trong sản xuất, độ cứng cần thiết của thép cường độ cao gây ra giịn và
biến dạng; sẽ khó sửa chữa, khó gia cơng và khơng thể tạo hình nguội. Chế tạo hàn
cũng gần như không thể hoặc rất tốn kém. Đông cứng thép tổng hợp bằng cách bổ
sung các nguyên tố khác như niken, coban và molypden. Một loại thép kết cấu điển
hình sẽ có các yếu tố này theo tỷ lệ: niken 17 đến 19%, coban 8 đến 9%, molypden
3 đến 3,5%, với titan 0,15 đến 0,25%. Hàm lượng carbon tối đa 0,03%, với chút ít
10


Vật liệu hàng không
mangan, silicon, lưu huỳnh, phốt pho, nhôm, boron, canxi và zirconi. Ứng suất thí
nghiệm 0,2% sẽ là 1400 N / mm2 và mô đun đàn hồi là 180 000 N / .
Những ưu điểm chính của thép tổng hợp so với thép hợp kim thấp thông
thường là độ bền phá hủy cao hơn và mạnh hơn, xử lý nhiệt đơn giản hơn, thay đổi
dung tích và biến dạng thấp hơn nhiều trong q trình đơng cứng, hàn đơn giản, dễ
gia cơng hơn và chống ăn mịn ứng suất tốt hơn / làm giòn bằng hydro. Mặt khác,
chi phí vật liệu của thép tổng hợp lớn hơn chi phí của thép thơng thường từ ba lần
trở lên. Thép tổng hợp đã được sử dụng trong máy bay chống sét, vỏ động cơ tên

lửa, gầm máy bay trực thăng, bánh răng, ghế phụ, và các cấu trúc khác nhau.
Ngoài ra trước đó, thép khơng gỉ đã tìm thấy ứng dụng chủ yếu trong chế tạo
máy bay thử nghiệm và nghiên cứu siêu âm, siêu siêu âm, trong đó nhiệt độ ảnh
hưởng đáng kể. Thép khơng gỉ hình thành vật liệu cấu trúc chính trong Bristol 188,
được chế tạo để nghiên cứu các hiệu ứng làm nóng động học, và cả trong máy bay
tên lửa của Mỹ, X-15, có khả năng tốc độ theo thứ tự Mach 5-6.
1.3 Titanium
Việc sử dụng hợp kim titan đã tăng đáng kể trong những năm 1980, đặc biệt
là trong việc xây dựng máy bay chiến đấu ngược lại với máy bay vận tải. Tiếp tục
gia tăng trong những năm 1990. Đến giai đoạn đó, đối với máy bay chiến đấu, tỷ lệ
phần trăm của hợp kim titan là một phần trọng lượng kết cấu là của cùng thứ tự như
của hợp kim nhôm. Hợp kim titan sở hữu tính chất đặc biệt cao, có chất lượng tốt,
độ bền mỏi / tỷ lệ cường độ kéo với giới hạn mỏi riêng biệt và cường độ tốt ở nhiệt
độ lên tới 400 đến 500◦C. Nói chung, chúng có khả năng chống ăn mịn tốt và ứng
suất ăn mịn, mặc dù các tính chất bị ảnh hưởng xấu do tiếp xúc với nhiệt độ và ứng
suất trong môi trường muối. Loại thứ hai đặt ra những vấn đề đặc biệt trong động
cơ của máy bay. Điều kiện bất lợi hơn nữa là mật độ tương đối cao để áp dụng hình
phạt trọng lượng nếu hợp kim được sử dụng rộng rãi, cùng với chi phí chế tạo cao,
khoảng bảy lần máy bay nhôm và thép.
11


Vật liệu hàng không
Mặc dù vậy, hợp kim titan đã được sử dụng trước đây trong khung máy bay
và động cơ của Concorde, trong khi hộp mang cánh Tornado được chế tạo từ titan
có độ bền trung bình có thể hàn hợp kim. Hợp kim titan cũng được sử dụng rộng rãi
trong máy bay chiến đấu F15 và F22 của Mỹ và kết hợp trong việc lắp ráp đuôi của
máy bay dân dụng Boeing 777. Các ứng dụng khác bao gồm các thành phần đã qua
rèn chẳng hạn như cánh lái phụ và các bộ phận gầm.
Các quy trình chế tạo mới (ví dụ hình thành siêu dẻo kết hợp với liên kết

khuếch tán) cho phép về độ lớn và các thành phần phức tạp sẽ được sản xuất, dẫn
đến giảm thời gian và trọng lượng sản xuất. Tiết kiệm điển hình là 30% giờ làm
việc, 30% trọng lượng và 50% chi phí so với với cấu trúc titan đinh tán thơng
thường. Theo dự đốn, số lượng các thành phần titan chế tạo theo cách này cho
máy bay sẽ tăng đáng kể và bao gồm các sản phẩm như cửa ra vào, tấm mỏng cho
các khu vực khí nóng.
1.4 Vật liệu dẻo
Vật liệu nhựa trơn có trọng lượng riêng xấp xỉ và do đó nặng hơn đáng kể so
với gỗ, mặc dù có độ bền tương đương. Mặt khác, trọng lượng riêng của chúng nhỏ
hơn một nửa so với hợp kim nhơm do đó chúng thích hợp sử dụng làm cửa sổ hoặc
các bộ phận chịu lực nhẹ có kích thước được cho trước bằng cách xử lý các yêu cầu
thay vì cường độ. Chúng cũng đặc biệt hữu ích như làm chất cách điện và làm lá
chắn hấp thụ năng lượng cho các thiết bị tinh vi và thậm chí cả các cấu trúc nơi xảy
ra rung động mạnh như trong tên lửa hoặc bộ phận phóng tàu vũ trụ.
1.5 Kính
Phần lớn các máy bay hiện đại có khoang điều áp để bay ở độ cao lớn. Kính
chắn gió và cửa sổ do đó phải chịu tải bình thường như ở giữa máy bay. Thủy tinh
thường là vật liệu được sử dụng cho mục đích này ở dạng tấm trơn hoặc nhiều lớp
hoặc tấm tăng cường nhiệt. Các loại kính tấm được sử dụng trong máy bay có mơ

12


Vật liệu hàng không
đun đàn hồi trong khoảng 70000 – 75000 , với mô đun vỡ khi uốn cong là 45 . Tấm
tăng cường nhiệt có mơ đun vỡ khoảng bốn lần rưỡi con số này.
1.6 Composite
Vật liệu composite bao gồm các sợi mạnh như thủy tinh hoặc carbon được
đặt trong một ma trận nhựa hoặc nhựa epoxy, có khả năng bảo vệ cơ học và hóa
học. Các sợi có thể liên tục hoặc không liên tục nhưng sở hữu một sức mạnh lớn

hơn rất nhiều so với các vật liệu số lượng lớn tương tự. Ví dụ, sợi carbon có độ bền
kéo theo thứ tự 2400 và mơ đun đàn hồi 400000 .
Một tấm vật liệu được gia cố bằng sợi là bất đẳng hướng, nói cách khác, tính
chất của nó phụ thuộc vào hướng của sợi. Nói chung, do đó ở dạng cấu trúc, hai
hoặc nhiều tấm được kẹp lại với nhau để tạo thành một bố cục sao cho các hướng
sợi khớp với các tải trọng chính.
Trong giai đoạn đầu phát triển vật liệu composite, sợi thủy tinh được sử dụng
trong ma trận nhựa epoxy. Loại nhựa gia cường thủy tinh (GRP) này đã được sử
dụng cho và cánh quạt trực thăng nhưng được sử dụng hạn chế trong các thành
phần của máy bay cánh cố định do độ cứng thấp. Trong những năm 1960, quân
trang mới đã được giới thiệu; Kevlar, ví dụ, là một vật liệu aramid có sức mạnh
tương đương với thủy tinh nhưng cứng hơn. Vật liệu tổng hợp Kevlar rất cứng
nhưng kém nén và khó gia cơng, vì vậy chúng được sử dụng trong các cấu trúc thứ
cấp. Một hỗn hợp khác, sử dụng sợi boron và được phát triển ở Hoa Kỳ, là sản
phẩm đầu tiên sở hữu đủ độ cứng và độ bền cho các cấu trúc chính.
Những vật liệu tổng hợp này hiện đã được thay thế bằng nhựa gia cố sợi
carbon (CFRP), có đặc tính tương tự vật liệu tổng hợp boron nhưng rẻ hơn rất
nhiều. Thông thường, CFRP có mơ-đun theo thứ tự gấp ba lần GRP, gấp rưỡi so với
hỗn hợp Kevlar và hai lần so với hợp kim nhơm. Sức mạnh của nó gấp ba lần so
với hợp kim nhôm, gần bằng với GRP và ít hơn một chút so với vật liệu tổng hợp
13


Vật liệu hàng không
Kevlar. CFRP, tuy nhiên, chịu một số bất lợi. Nó là một vật liệu giịn và do đó
khơng mang lại chất dẻo ở những vùng có nồng độ ứng suất cao. Sức mạnh của nó
bị giảm do thiệt hại do va chạm có thể khơng nhìn thấy được và ma trận nhựa
epoxy có thể hấp thụ độ ẩm trong một thời gian dài, làm giảm các thuộc tính phụ
thuộc ma trận của nó, chẳng hạn như cường độ nén của nó; hiệu ứng này tăng lên
khi tăng nhiệt độ. Hơn nữa, các thuộc tính của CFRP có thể thay đổi ngẫu nhiên

nhiều hơn so với các kim loại. Tất cả những yếu tố này phải được cho phép trong
thiết kế. Mặt khác, độ cứng của CFRP ít bị ảnh hưởng hơn so với sức mạnh của nó
trước đó và nó ít bị tổn thương do mỏi hơn so với kim loại. Người ta ước tính rằng
việc thay thế 40% cấu trúc hợp kim nhôm bằng CFRP sẽ giúp tiết kiệm 12% tổng
trọng lượng kết cấu.
CFRP được bao gồm trong cánh, cánh đi và thân máy bay phía trước của
sự phát triển Harrier mới nhất, được sử dụng trong máy bay Tornado, và đã được sử
dụng để xây dựng một cánh Jaguar hoàn chỉnh và cửa khoang động cơ cho mục
đích thử nghiệm. Việc sử dụng CFRP trong chế tạo lưỡi máy bay trực thăng đã dẫn
đến sự gia tăng đáng kể trong thời gian phục vụ của họ, trong đó khả năng chống
mỏi thay vì độ cứng là quan trọng hàng đầu.
Hình 5 cho thấy độ phức tạp về cấu trúc của cánh quạt máy bay trực thăng
Sea King, kết hợp CFRP, GRP, thép không gỉ, lõi tổ ong và làm đầy bọt. Một lợi thế
nữa của việc sử dụng vật liệu tổng hợp cho cánh quạt máy bay trực thăng là kỹ
thuật đúc = được sử dụng cho phép các biến thể của mặt cắt dọc theo nhịp, mang lại
lợi ích khí động học đáng kể. Cách tiếp cận này đang được sử dụng trong chế tạo
các cánh quạt chính của Máy bay trực thăng GKN Westland EH101.

14


Vật liệu hàng khơng

Hình 5 Kết cấu lá cánh máy bay trực thăng
Một vật liệu tổng hợp (sợi thủy tinh và nhôm) được sử dụng trong lắp ráp
đuôi của Boeing 777, trong khi cạnh đầu của cụm máy bay Airbus A310 –
300/A320 là cấu trúc sợi thủy tinh gia cố thông thường, được gia cố ở mũi để
chống lại các cuộc tấn công của chim. Một khung máy bay composite hoàn chỉnh
đã được sản xuất cho máy bay điều khiển cánh quạt Beechcraft Starship, tuy nhiên,
nó khơng phải là một thành cơng thương mại do cấu hình canard của nó gây ra hình

phạt kéo và trọng lượng.
Sự phát triển của vật liệu composite đang tiếp tục với nghiên cứu loại bỏ các
lỗ hổng giảm sức mạnh và các khiếm khuyết cục bộ từ sợi carbon. Các ma trận
khác, chẳng hạn như polyetheretherketone hấp thụ độ ẩm ít hơn nhiều so với nhựa
epoxy, có thời hạn sử dụng khơng xác định và hoạt động tốt dưới tác động, đang
được phát triển; chế tạo, tuy nhiên, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn nhiều. Các vật liệu
tổng hợp ma trận kim loại như nhơm than chì và nhơm boron, trọng lượng nhẹ và
giữ được độ bền ở nhiệt độ cao hơn hợp kim nhôm nhưng đắt tiền để sản xuất.

15


Vật liệu hàng khơng
Nói chung, việc sử dụng vật liệu tổng hợp trong chế tạo máy bay dường như
đã đạt đến một mức độ nhất định, cụ thể trong máy bay cận âm dân sự, trong đó tỷ
lệ cấu trúc bao gồm vật liệu tổng hợp là khoảng 15%. Điều này phần lớn là do chi
phí sản xuất vật liệu tổng hợp lớn hơn so với cấu trúc hợp kim nhơm, vì vật liệu
tổng hợp địi hỏi phải làm thủ cơng các vật liệu và quy trình xây dựng thủ cơng.
Những chi phí gia tăng này đặc biệt quan trọng trong việc chế tạo máy bay dân
dụng và ngày càng trở nên quan trọng trong máy bay quân sự.

Chương 2. Đặc tính vật liệu
•

Tính dẻo: Vật liệu được gọi là dẻo khi có khả năng biến dạng lớn khi chịu tải
trước khi bị phá hủy. Sự biến dạng này bao gồm sự thay đổi nhìn thấy được ở
kích thước tiết diện và nó sẽ báo động về sự hỏng hóc của vật liệu. Vật liệu

•

trong nhóm này bao gồm thép nhẹ, nhôm, một số hợp kim, đồng và polyme.
Vật liệu giịn: Vật liệu giịn chỉ biến dạng rất ít trước khi bị phá hủy, thông
thường biến dạng chỉ khoảng 5%. Vật liệu giịn có thể bị phá hủy bất ngờ mà
khơng có cảnh báo dễ nhìn ra. Các vật liệu giịn bao gồm gang thép, thép độ

•

cứng cao, sứ.
Vật liệu đàn hồi: Vật liệu được gọi là đàn hồi nếu sự biến dạng của nó hồn
tồn biến mất khi bỏ tải. Ngoài ra, với tất cả các vật liệu kỹ thuật đã biết đều
đàn hồi tuyến tính trong một số giới hạn nhất định của ứng suất sao cho biến

•

dạng, trong các giới hạn này, tỷ lệ thuận với ứng suất.
Vật liệu dẻo: Vật liệu dẻo hoàn toàn khi sự biến dạng không biến mất khi bỏ
tải. Vật liệu dẻo là chất đàn hồi và hoạt động theo phương thức đàn hồi cho
đến khi đạt đến giới hạn đàn hồi, sau đó chúng biến dạng dẻo. Khi giảm ứng
suất, thành phần đàn hồi của chủng được phục hồi, nhưng vùng bị biến dạng

•
•
•

dẻo vẫn tồn tại vĩnh viễn.
Vật liệu đẳng hướng
Vật liệu dị hướng
Vật liệu trực hướng
16

Vật liệu hàng không
2.1 Thử nghiệm vật liệu kỹ thuật
Các tính chất của vật liệu kỹ thuật được xác định chủ yếu bằng các thử
nghiệm cơ học của mẫu vật gia cơng theo kích thước và hình dạng quy định. Các
thí nghiệm có thể là tĩnh hoặc động tùy thuộc vào tính chất cụ thể được khảo sát.
Có thể các thí nghiệm tĩnh cơ học phổ biến nhất là các thí nghiệm độ bền kéo và
nén được thực hiện trên nhiều loại vật liệu. Màu và kim loại màu phải chịu cả hai
loại thí nghiệm, trong khi thí nghiệm nén thường được thực hiện trên nhiều vật liệu
phi kim loại. Các thí nghiệm tĩnh khác bao gồm kiểm tra uốn, cắt và độ cứng, trong
khi nói cách khác, độ cứng của vật liệu - khả năng chịu tải sốc của nó được xác
định bởi thí nghiệm tác động.
2.1.1 Kiểm tra độ bền kéo
Kiểm tra độ bền kéo thường được thực hiện trên vật liệu kim loại và gỗ. Mẫu
thử được gia cơng từ một lơ vật liệu, kích thước của chúng được xác định bằng
kinh nghiệm. Chúng thường ở dạng hình trịn trong mặt cắt ngang, mặc dù các mẫu
thử phẳng có tiết diện hình chữ nhật được sử dụng khi lô nguyên liệu ở dạng tấm.
Một mẫu thử điển hình sẽ có kích thước như trong hình 10.2. Thơng thường, đường
kính một phần trung tâm của mẫu thử nhỏ hơn phần còn lại để đảm bảo rằng mẫu
thử bị gãy giữa các điểm đo.
Trước khi thí nghiệm bắt đầu, đường kính trung bình của mẫu thử được lấy
bằng cách đo tại một số phần bằng cách sử dụng một thước đo vít micrometer.
Điểm đo được đục lỗ tại máy đo yêu cầu chiều dài, mẫu thử được đặt trong máy thí
nghiệm và thiết bị đo biến dạng phù hợp, thường là một máy đo độ giãn, được gắn
vào mẫu thử tại các điểm đo để đo độ mở rộng trên chiều dài đo đã cho.

17


Vật liệu hàng khơng

Hình 6 Mẫu thử hình trụ tiêu chuẩn
Tăng tải được áp dụng và các phần kéo giãn tương ứng được ghi lại. Quy
trình này tiếp tục cho đến khi hiện tượng chảy dẻo xảy ra, khi kéo giãn được loại bỏ
để đề phòng hư hại sẽ gây ra nếu mảnh thử nghiệm bị gãy bất ngờ. Các phần kéo
giãn tiếp theo là được đo bằng các vạch chia được đặt trong các điểm đo cho đến
khi các mảnh thử nghiệm bị gãy. Cuối cùng, dụng cụ đo chiều dài và đường kính
của mẫu thử trong khu vực gãy được đo sao cho phần trăm sự giãn nở và phần trăm
sự thu gọn trong khu vực có thể được tính tốn. Hai tham số này cho thước đo độ
dẻo của vật liệu.
Biểu đồ ứng suất - biến dạng được vẽ (Hình 10.9 và 10.13), ứng suất được
tính trên cơ sở của diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử đó là một ứng suất
danh nghĩa trái ngược với ứng suất thực tế (dựa trên diện tích thực của mặt cắt
ngang).
Đối với vật liệu dẻo có sự khác biệt rõ rệt trong các giai đoạn sau của thử
nghiệm, giảm đáng kể diện tích mặt cắt xảy ra giữa chảy dẻo và đứt gãy. Từ biểu đồ
ứng suất - biến dạng, thu được ứng suất tới hạn, ứng suất chảy dẻo và mơ đun
Young, E.
Có một số sự thay đổi trong bài kiểm tra độ bền kéo cơ bản vừa mô tả. Một
số phụ thuộc vào số lượng thông tin bổ sung cần thiết và một số là sự lựa chọn thiết
18


Vật liệu hàng không
bị. Đây là các thiết bị đo biến dạng để lựa chọn: Huggenberger, Lindley,
Cambridge, đến máy đo biến dạng điện trở. Cái cuối cùng thường được sử dụng
trên các mẫu thử phẳng, mỗi miếng trên một mặt để loại bỏ các ảnh hưởng uốn
cong có thể có. Đồng thời, một máy đo biến dạng có thể được gắn theo hướng
vng góc với hướng tải để các biến dạng bên được đo. Tỷ lệ biến dạng bên / biến
dạng dọc là hệ số Poisson.

Máy thí nghiệm thường được điều khiển bằng thủy lực. Các phiên bản tinh vi
hơn sử dụng các cảm biến tải để ghi lại tải và tự động vẽ đồ thị chống lại sự mở
rộng hoặc ứng suất chống lại ứng suất trên máy ghi dùng bút khi tiến hành thử
nghiệm, một ưu điểm khi nghiên cứu đặc tính trạng thái của thép nhẹ ở trạng thái
chảy dẻo.
2.1.2 Kiểm tra nén
Thí nghiệm nén tương tự như thí nghiệm độ bền kéo, khác biệt là tải được
truyền đến mẫu thử là nén chứ không phải kéo. Đặt mẫu thử giữa các trục của máy
thí nghiệm và đảo ngược hướng nạp. Các mẫu thử ở Chương 10, Các vật liệu
thường có dạng hình trụ và được giới hạn về chiều dài để loại trừ khả năng hỏng do
mất ổn định. Sau đó, sự co lại được đo trên một chiều dài đo nhất định bằng một
thiết bị đo biến dạng phù hợp.
Sự biến đổi trong các mẫu thử xảy ra yêu cầu giới hạn phá hủy của vật liệu
khi nén. Với mục đích này, các mẫu thử bê tơng có thể có dạng hình khối có cạnh
dài khoảng 10 cm, trong khi các mẫu thử thép nhẹ vẫn có dạng hình trụ trong phần
nhưng có chiều dài 1 cm.
2.1.3 Kiểm tra uốn
Nhiều thành phần cấu trúc chủ yếu chịu uốn bất kì lúc nào. Do đó, các thử
nghiệm uốn được thực hiện trên các dầm đơn giản được chế tạo từ các vật liệu khác
nhau để xác định trạng thái của chúng theo loại tải trọng này.
19


Vật liệu hàng khơng
Hai hình dạng tải được sử dụng, tùy thuộc vào loại được chỉ định trong Quy
tắc thực hành cho vật liệu cụ thể. Trong lần đầu tiên, một thanh dầm đơn giản được
hỗ trợ phải chịu tải trọng tại hai điểm, như trong hình 10.3 (a). Hai tải trọng tập
trung được áp dụng đối xứng với thanh dầm, tạo ra lực cắt bằng không và mô-men
uốn không đổi trong nhịp trung tâm của thanh dầm (Hình 10.3 (b) và (c)). Do đó,
điều kiện uốn thuần túy đạt được trong nhịp trung tâm.

Hình 7 Kiểm tra độ bền uốn 4 điểm

20


Vật liệu hàng khơng

Hình 8 Kiểm tra độ bền uốn 3 điểm
Hình dạng thứ hai của hệ thống tải bao gồm một tải trọng tập trung duy nhất
ở mức trung bình (Hình 7 (a)) tạo ra lực cắt và sơ đồ mơ-men uốn như trong hình 7
(b) và (c).
Tải có thể được áp dụng bằng tay bằng cách treo trọng lượng trên dầm hoặc
bằng máy thử. Độ lệch được đo bằng đồng hồ đo được đặt bên dưới dầm. Từ các
kết quả được ghi lại, một sơ đồ làm lệch tải tải được vẽ.
Đối với hầu hết các vật liệu dẻo, các dầm thử nghiệm tiếp tục biến dạng mà
không bị hỏng và gãy. Do đó, tính chất dẻo như ví dụ, độ bền phá hủy trong uốn
cong khơng thể được xác định cho các vật liệu đó. Trong trường hợp vật liệu giòn,
bao gồm gang, gỗ và nhựa khác nhau, vật liệu bị hỏng có thể đánh giá các tính chất
dẻo. Đối với các vật liệu như vậy, độ bền phá hủy trong uốn được xác định bởi mô
đun vỡ. Đây được coi là ứng suất trực tiếp tối đa trong uốn cong, tương ứng với
thời điểm tới hạn và được cho là có liên quan đến bởi mối quan hệ đàn hồi
21


Vật liệu hàng không

Các thử nghiệm uốn khác được thiết kế để đo độ dẻo của vật liệu và liên
quan đến sự uốn cong của thanh xung quanh chốt. Góc uốn khi thanh bắt đầu nứt
sau đó được lấy làm chỉ số cho độ dẻo của nó.

2.1.4 Thí nghiệm cắt
Hai mẫu thí nghiệm cắt chính được sử dụng để xác định tính chất cắt của vật
liệu. Một loại nghiên cứu cường độ cắt trực tiếp hoặc ngang của vật liệu và được sử
dụng liên quan đến cường độ cắt của bu lơng, đinh tán và dầm. Trong hình 10.5,
mẫu thử được kẹp vào một khối và tải tác dụng bằng công cụ cắt cho đến khi bị
hỏng. Trong cách sắp xếp được đưa ra, mẫu thử phải chịu lực cắt kép, trong khi nếu
nó chỉ được kéo dài một phần qua khe hở trong khối thì nó sẽ bị cắt một lần. Trong
cả hai trường hợp, cường độ cắt trung bình được lấy là tải trọng tối đa chia cho khu
vực chống cắt.
Loại thí nghiệm cắt khác được sử dụng để đánh giá các tính chất cắt cơ bản
của vật liệu, chẳng hạn như mô đun cắt G, ứng suất cắt tại trạng thái dẻo và ứng
suất cắt tới hạn. Trong cách kiểm tra thơng thường, một mẫu thử có tiết diện tròn
được đặt trong máy xoắn và xoắn theo gia số mơ-men xoắn được kiểm sốt. Các
góc xoắn tương ứng được ghi lại và sơ đồ xoắn của mô-men xoắn được vẽ, từ đó
thu được các tính chất cắt của vật liệu. Phương pháp này tương tự như phương
pháp được sử dụng để xác định tính chất bền kéo của vật liệu từ thử nghiệm độ bền
kéo và sử dụng các mối quan hệ.
2.1.5 Kiểm tra độ cứng
Khả năng gia công của vật liệu và khả năng chống trầy xước hoặc xuyên
thủng được xác định bởi độ cứng của nó. Có vẻ như có mối liên hệ giữa độ cứng
của một số vật liệu và độ bền kéo của chúng do đó các phép thử độ cứng có thể
được sử dụng để xác định tính chất của các thành phần cấu trúc khi mà độ bền kéo
22


Vật liệu hàng không
và các thử nghiệm khác sẽ không thể thực hiện được. Kiểm tra độ cứng cũng được
sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt, làm cứng và ủ, và hình thành
lạnh. Hai loại kiểm tra độ cứng được sử dụng phổ biến: kiểm tra độ lồi lõm và kiểm
tra trầy xước và mài mòn.

Các thử nghiệm kiểm tra độ lồi lõm có thể được chia thành hai lớp: tĩnh và
động. Trong số các bài kiểm tra tĩnh, Brinell là phổ biến nhất. Trong đó, một quả
bóng thép cứng được ép vào vật liệu được thử bởi tải trọng tĩnh tác động trong một
khoảng thời gian cố định. Tải trọng tính bằng kg chia cho diện tích hình cầu của vết
lõm tính bằng mm2 được gọi là số độ cứng Brinell (BHN). Trong hình 10.6, nếu D
là đường kính của quả bóng, F là tải trọng tính bằng kg, h là độ sâu của vết lõm và
d là đường kính của vết lõm, khi đó:

Trong thực tế, số độ cứng của một vật liệu nhất định được tìm thấy thay đổi
theo F và D để tính đồng nhất của phép thử được chuẩn hóa. Đối với vật liệu thép
và cứng F = 3000 kg và D = 10 mm, trong khi đối với vật liệu mềm, F = 500 kg và
D = 10 mm; Ngoài ra, tải thường được áp dụng trong 15 giây.
Trong thử nghiệm Brinell, kích thước của vết lõm được đo bằng kính hiển vi.
Để tránh thủ tục khá tẻ nhạt này, các máy đọc trực tiếp đã được nghĩ ra, trong đó
Rockwell là điển hình. Cơng cụ đo vết lõm, một lần nữa là một quả cầu cứng, lần
đầu tiên được áp dụng dưới một tải ánh sáng xác định. Công cụ thụt đầu dịng này
sau đó được thay thế bằng một hình nón kim cương với một điểm trịn được áp
dụng theo tải trọng thụt chỉ định. Sự khác biệt giữa độ sâu của vết lõm dưới hai tải
được lấy làm thước đo độ cứng của vật liệu và được đọc trực tiếp từ thang đo.
Một thử nghiệm độ cứng động điển hình được thực hiện bởi Shore Sclercop,
bao gồm một cây búa nhỏ dài khoảng 20 mm và đường kính 6 mm được gắn với
một điểm kim cương cùn, tròn, tròn. Búa được dẫn hướng bằng một ống thủy tinh
23


Vật liệu hàng không
thẳng đứng và được phép rơi tự do từ độ cao 25 cm xuống mẫu vật mà nó thụt vào
trước khi bật lại. Một tỷ lệ nhất định năng lượng của búa được sử dụng trong việc
hình thành vết lõm sao cho chiều cao của sự bật lại, phụ thuộc vào năng lượng mà
búa vẫn sở hữu, được lấy làm thước đo độ cứng của vật liệu.

Một số thử nghiệm đã được đưa ra để đo độ cứng vết xước của vật liệu.
Trong một thử nghiệm, tải trọng nhỏ nhất tính bằng gam, khi áp vào điểm kim
cương, tạo ra vết xước có thể nhìn thấy bằng mắt thường trên mẫu vật liệu được
đánh bóng được gọi là số độ cứng của nó. Trong các thử nghiệm khác, cường độ
của tải trọng cần thiết để tạo ra độ rộng vết xước xác định được lấy làm thước đo
độ cứng. Các thử nghiệm mài mòn, liên quan đến sự rung lắc trong một khoảng
thời gian của một số mẫu được đặt trong vật chứa, đo lường khả năng chống mòn
của một số vật liệu. Trong một số trường hợp, dường như có mối liên hệ giữa độ
mịn và số độ cứng, mặc dù kết quả cho thấy không có mức độ nhất quán.
2.1.6 Kiểm tra va chạm
Người ta đã phát hiện ra rằng một số vật liệu nhất định, đặc biệt là thép được
xử lý nhiệt, dễ bị hỏng khi tải sốc, trong khi thử nghiệm độ bền kéo thơng thường
trên cùng một vật liệu sẽ khơng có bất thường.

Hình 9 Kiểm tra va chạm Izod
24


Vật liệu hàng khơng

Hình 10 Kiểm tra va chạm Charpy
Các thử nghiệm tác động đo lường khả năng của vật liệu chịu được tải trọng
va đập và đưa ra dấu hiệu về độ bền của chúng. Hai thử nghiệm chính đang được
sử dụng: Izod và Charpy.
Cả hai bài kiểm tra đều dựa vào một quả nặng hoặc trọng lượng gắn vào một
con lắc. Con lắc được thả ra từ một độ cao cố định, trọng lượng đập vào một mẫu
thử có khía và góc mà con lắc sau đó dao động là thước đo độ bền của vật liệu. Sự
sắp xếp cho phép thử Izod được hiển thị sơ đồ trong hình 10.7 (a). Mẫu thử và
phương pháp lắp được thể hiện chi tiết trong Hình 10.7 (b). Thử nghiệm Charpy
tương tự trong hoạt động ngoại trừ việc mẫu thử được hỗ trợ theo cách khác, như

thể hiện trong khung nhìn kế hoạch trong Hình 10.8.
2.2 Đường cong ứng suất – biến dạng
Bây giờ chúng ta sẽ kiểm tra chi tiết các thuộc tính của các vật liệu khác
nhau từ quan điểm của các kết quả thu được từ các thử nghiệm độ bền kéo và nén.

25