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 nhôm 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.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trang 3LỜI MỞ ĐẦU
Với bài báo cáo này, chúng em nghiên cứu về vật liệu sử dụng trong kể cấuhàng 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 hợpkim nhôm là ví dụ được sử dụng rộng rãi nhất Vật liệu máy bay là thành phần rấtquan trọng trong việc phát triển ngành hàng không
Một số yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu cho cấu trúc cho máybay, nhưng trong số này, độ bền với khối lượng nhẹ có lẽ là quan trọng nhất Ngoài
ra còn các tính chất khác, mặc dù đôi khi rất quan trọng, đó là độ cứng, độ bền, khảnăng chống ăn mòn, mệt mỏi, ảnh hưởng của hệ thống môi trường và điều áp, dễchế tạo, tính sẵn có và tính nhất quán của nguồn cung, và, không kém phần quantrọng, 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 đầucủa máy nén, trong khi hợp kim hoặc thép dựa trên niken được sử dụng cho giaiđoạn nóng hơn sau này Vì bài báo quan tâm chủ yếu đến các vật liệu liên quan đếnviệc xây dựng về khung máy bay, thảo luận về các vật liệu được sử dụng trong sảnxuất động cơ nằm ngoài phạm vi của bài báo cáo này
Trang 4Chương 1 Vật liệu
1.1 Nhôm
1.1.1 Kim loại nhôm
Hình 1 Nhôm
nhất trong vỏ Trái Đất Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của Trái Đất.Quặng chính chứa nhôm là bô xít
lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoài không khí Tỷtrọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm (chỉsau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc;
nó có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp ôxít bảo vệ Nó cũngkhông nhiễm từ và không cháy khi để ở ngoài không khí ở điều kiện thông
Trang 51.1.2 Hợp kim của nhôm
Nhôm nguyên chất là vật liệu độ bền thấp, linh hoạt không có ứng dụng vàocấu trúc Tuy nhiên, khi cho nhôm với các kim loại khác tính chất của nó được cảithiện hơn nhiều 3 nhóm hợp kim nhôm được sử dụng trong công nghiệp hàngkhông trong nhiều năm và vẫn có vai trò chính trong kết cấu máy bay Đầu tiêntrong số đó, hợp kim nhôm với đồng, magie, mangan, silic và sắt với tỷ lệ thànhphần 4% đồng, 0,5% magie, 0,5% mangan, 0,3%silic và 0,2% sắt Loại hợp kimnày có tên là Đu-ra Trong rèn, xử lý nhiệt, ở điều kiện tự nhiên, hợp kim này chịuứng suất ít nhất 230N/mm2, độ bền kéo ít nhất 390N/mm2, và chuyển vị dàikhoảng 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 độbền ở nhiệt độ cao, làm chúng phù hợp với chế tạo động cơ hàng không Sự pháttriển 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 cơhàng không
Nhóm hợp kim thứ 3 thêm kẽm và magie cho độ bền cao và có thành phầntiêu biểu là 2,5% đồng, 5% kẽm, 3% magie và nhiều nhất 1% nikel, với tính chất cơhọc 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, vànhững 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, khảnăng chống lan truyền vết nứt Dễ thấy rằng các loại máy bay khác nhau có các yêucầu kết cấu khác nhau
Trang 6Thật 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 trongnhiều năm bởi 1 khuynh hướng nứt khi không có tải do các ứng suất bên trong, quátrình rèn và tác dụng nhiệt Mặc dù hàm lượng thành phần phải giảm vấn đề nàyđáng kể Những máy bay vận tải trước chiến tranh đã sớm thử nghiệm số lượng lớncác phá hủy do ăn mòn, rèn và đúc Vấn đề trở nên căng thẳng vào năm 1953, dẫnđến quyết định thay thế hết các bộ phận sử dụng hợp kim này bằng hợp kim Nhôm-4% đồng Hợp kim nhôm L65 và cấm sử dụng phương pháp rèn đới với hợp kimkẽm trong các thiết kế Tuy nhiên, sự cải thiện ứng suất ăn mòn của hợp kim nhômkẽm 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 cóthành phần của crom và magan, trong khi Đức thấy rằng thêm bạc vào sẽ cực kỳ cólợi 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 cầuđối 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 nhưngđược ưu tiên cho các phần của cấu trúc trong đó các cân nhắc về mỏi là quan trọnghàng 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 chịunhiệt, độ bền mỏi và khả năng phát triển vết nứt Xa hơn, thành phần tỷ lệ phầntrăm của magie đã được tìm ra, tại Mỹ, để sản xuất, trong điều kiện tự nhiên, tínhchất 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, còn lại là nhôm Sự chú ý đến hợp kim nhôm magie silic gầnđây đã phát triển, mặc dù chúng đã được dùng trong công nghiệp hàng không hàngthập kỷ qua Lý do là chúng rẻ hơn hợp kim nhôm 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
Trang 7chất 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 củanhôm đồng magie nikel sắt phát triển trong những năm thế chiến 1939-1945 đặcbiệt cho chế tạo thành phần tuabin khí của động cơ hàng không Thành phần hóahọc của phiên bản này đã dùng cho máy bay Concorde đã được quyết định bởinhiệt độ, mỏi, và độ kiểm tra kéo và chi tiết như sau:
Hình 2 Hợp kim nhôm
Các kỹ sư thiết kế muốn chế tạo máy bay hoàn toàn bằng Dura vì độ phổbiến, giá thành rẻ và dễ chế tạo Nhiệt độ cao nhất nhôm chịu được khí máy bayhoạt 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 công nghiệp hàngkhông là aluminum-lithium Hợp kim Al-Li là hợp kim của nhôm với lithium thôngthường bao gồm cả đồng và ziriconi Khi lithium là một kim loại nguyên tố có tỷtrọng rất thấp, thì nếu bổ sung vào nhôm sẽ cho hợp kim có tỷ trọng thấp hơn nhômnguyên tố Nếu bổ sung vào hợp kim một lượng 1% lithium thì sẽ làm cho hợp kimAl-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 vũtrụ, do lợi thế về trọng lượng riêng Hiện tại hợp kim này đang được sử dụng chongành hàng không và các dự án máy bay lên thẳng
Trang 8Hình 3 Máy bay Concorde
Phôi và phế liệu cũng như các vật liệu tái chế của hợp kim Al-Li phải đểriêng và không được để lẫn với các nhón hợp kim của nhôm khác, bởi vì chúng cóthể gây cháy nổ rất nguy hiểm
Tổng quan: nhôm có 4 hợp kim chính:
• Đu-ra: hợp kim của Al-Cu
• Al-Niken
• Al-Zn
• Al- lithium
Trang 9Ngoài ra còn có Al-Si,… tùy vào lượng kim loại tạo thành hợp kim mà tínhchất 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 nhôm biếndạng hoá bền được bằng nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng không hoábền được bằng nhiệt luyện
Hợp kim nhôm đúc
1.1.3 Ứng dụng
Nhôm và hợp kim của nhôm đứng thứ hai (sau thép) về sản xuất và ứngdụng Điều này do nhôm và hợp kim nhôm có các tính chất phù hợp với nhiều côngdụng khác nhau, trong một số trường hợp ứng dụng của hợp kim nhôm không thểthay thế được như trong công nghệ chế tạo máy bay và các thiết bị ngành hàngkhông 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 kimloại khác Tùy vào loại máy bay khác nhau mà lượng nhôm hợp kim sử dụng chomáy 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 vậnhành tương đối tốt để giảm lượng nhôm, ví dụ máy bay chiến đấu hạng nặng F-15chỉ sử dụng hợp kim nhôm 35,5%
Nhôm và hợp kim nhôm còn có vị trí khá quan trọng trong ngành chế tạo cơkhí và xây dựng Trong lĩnh vực xây dựng, hợp kim nhôm được ứng dụng nhiềuvào sản xuất các sản phẩm cửa cổng nhôm đúc, hàng rào và cầu thang nhôm đúc:hàng hải và dầu khí, thoát nước, phụ tùng xe đạp, vành ô tô
Trang 10Tỷ lệ khối lượng các vật liệu trên máy bay B787, sau khi vật liệu compositexuất hiện thì tỷ trọng nhôm 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 nhữngnăm 1930 đã được thay thế bởi các hợp kim nhôm được mô tả trong Phần 10.1 Rõràng trọng lượng riêng cao đã ngăn chặn việc sử dụng rộng rãi nó trong chế tạomáy 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 vậybao 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 rằngcác tính chất khác bị mất đi và rất khó để sản xuất hợp thành thành phẩm Để khắcphục những khó khăn này, các loại thép được gọi là thép tổng hợp được phát triểnvào năm 1961, từ đó carbon bị loại bỏ hoàn toàn hoặc chỉ có một phần rất ít.Carbon: trong sản xuất, độ cứng cần thiết của thép cường độ cao gây ra giòn vàbiến dạng; sẽ khó sửa chữa, khó gia công và không thể tạo hình nguội Chế tạo hàncũng gần như không thể hoặc rất tốn kém Đông cứng thép tổng hợp bằng cách bổsung các nguyên tố khác như niken, coban và molypden Một loại thép kết cấu điểnhình 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
Trang 11mangan, silicon, lưu huỳnh, phốt pho, nhôm, boron, canxi và zirconi Ứng suất thínghiệm 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 thôngthường là độ bền phá hủy cao hơn và mạnh hơn, xử lý nhiệt đơn giản hơn, thay đổidung tích và biến dạng thấp hơn nhiều trong quá trình đông cứng, hàn đơn giản, dễgia công hơn và chống ăn mòn ứng suất tốt hơn / làm giòn bằng hydro Mặt khác,chi phí vật liệu của thép tổng hợp lớn hơn chi phí của thép thông thường từ ba lầntrở lên Thép tổng hợp đã được sử dụng trong máy bay chống sét, vỏ động cơ tênlửa, gầm máy bay trực thăng, bánh răng, ghế phụ, và các cấu trúc khác nhau
Ngoài ra trước đó, thép không gỉ đã tìm thấy ứng dụng chủ yếu trong chế tạomáy bay thử nghiệm và nghiên cứu siêu âm, siêu siêu âm, trong đó nhiệt độ ảnhhưởng đáng kể Thép không 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 baytên 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 tụcgia tăng trong những năm 1990 Đến giai đoạn đó, đối với máy bay chiến đấu, tỷ lệphần trăm của hợp kim titan là một phần trọng lượng kết cấu là của cùng thứ tự nhưcủa 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 mòn tốt và ứngsuất ăn mòn, mặc dù các tính chất bị ảnh hưởng xấu do tiếp xúc với nhiệt độ và ứngsuất 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 hìnhphạt 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
Trang 12Mặc 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 rãitrong máy bay chiến đấu F15 và F22 của Mỹ và kết hợp trong việc lắp ráp đuôi củamáy bay dân dụng Boeing 777 Các ứng dụng khác bao gồm các thành phần đã quarèn 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 kếtkhuếch tán) cho phép về độ lớn và các thành phần phức tạp sẽ được sản xuất, dẫnđến giảm thời gian và trọng lượng sản xuất Tiết kiệm điển hình là 30% giờ làmviệc, 30% trọng lượng và 50% chi phí so với với cấu trúc titan đinh tán thôngthường Theo dự đoán, số lượng các thành phần titan chế tạo theo cách này chomáy bay sẽ tăng đáng kể và bao gồm các sản phẩm như cửa ra vào, tấm mỏng chocác 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 sovới gỗ, mặc dù có độ bền tương đương Mặt khác, trọng lượng riêng của chúng nhỏhơn một nửa so với hợp kim nhôm do đó chúng thích hợp sử dụng làm cửa sổ hoặccác bộ phận chịu lực nhẹ có kích thước được cho trước bằng cách xử lý các yêu cầuthay vì cường độ Chúng cũng đặc biệt hữu ích như làm chất cách điện và làm láchắn 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 Kínhchắn gió và cửa sổ do đó phải chịu tải bình thường như ở giữa máy bay Thủy tinhthường là vật liệu được sử dụng cho mục đích này ở dạng tấm trơn hoặc nhiều lớphoặc tấm tăng cường nhiệt Các loại kính tấm được sử dụng trong máy bay có mô
Trang 13đun đàn hồi trong khoảng 70000 – 75000 , với mô đun vỡ khi uốn cong là 45 Tấmtăng cường nhiệt có mô 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 đượcđặt trong một ma trận nhựa hoặc nhựa epoxy, có khả năng bảo vệ cơ học và hóahọc Các sợi có thể liên tục hoặc không liên tục nhưng sở hữu một sức mạnh lớnhơn rất nhiều so với các vật liệu số lượng lớn tương tự Ví dụ, sợi carbon có độ bềnkéo theo thứ tự 2400 và mô đun đàn hồi 400000
Một tấm vật liệu được gia cố bằng sợi là bất đẳng hướng, nói cách khác, tínhchất của nó phụ thuộc vào hướng của sợi Nói chung, do đó ở dạng cấu trúc, haihoặc nhiều tấm được kẹp lại với nhau để tạo thành một bố cục sao cho các hướngsợi khớp với các tải trọng chính
Trong giai đoạn đầu phát triển vật liệu composite, sợi thủy tinh được sử dụngtrong ma trận nhựa epoxy Loại nhựa gia cường thủy tinh (GRP) này đã được sửdụng cho và cánh quạt trực thăng nhưng được sử dụng hạn chế trong các thànhphần của máy bay cánh cố định do độ cứng thấp Trong những năm 1960, quântrang mới đã được giới thiệu; Kevlar, ví dụ, là một vật liệu aramid có sức mạnhtương đương với thủy tinh nhưng cứng hơn Vật liệu tổng hợp Kevlar rất cứngnhưng kém nén và khó gia công, vì vậy chúng được sử dụng trong các cấu trúc thứcấp Một hỗn hợp khác, sử dụng sợi boron và được phát triển ở Hoa Kỳ, là sảnphẩm 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 sợicarbon (CFRP), có đặc tính tương tự vật liệu tổng hợp boron nhưng rẻ hơn rấtnhiều Thông thường, CFRP có mô-đun theo thứ tự gấp ba lần GRP, gấp rưỡi so vớihỗn hợp Kevlar và hai lần so với hợp kim nhôm Sức mạnh của nó gấp ba lần sovới hợp kim nhôm, gần bằng với GRP và ít hơn một chút so với vật liệu tổng hợp
Trang 14Kevlar CFRP, tuy nhiên, chịu một số bất lợi Nó là một vật liệu giòn và do đókhông 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 không nhìn thấy được và ma trận nhựaepoxy có thể hấp thụ độ ẩm trong một thời gian dài, làm giảm các thuộc tính phụthuộc ma trận của nó, chẳng hạn như cường độ nén của nó; hiệu ứng này tăng lênkhi tăng nhiệt độ Hơn nữa, các thuộc tính của CFRP có thể thay đổi ngẫu nhiênnhiều hơn so với các kim loại Tất cả những yếu tố này phải được cho phép trongthiết kế Mặt khác, độ cứng của CFRP ít bị ảnh hưởng hơn so với sức mạnh của nótrước đó và nó ít bị tổn thương do mỏi hơn so với kim loại Người ta ước tính rằngviệc thay thế 40% cấu trúc hợp kim nhôm bằng CFRP sẽ giúp tiết kiệm 12% tổngtrọng lượng kết cấu
CFRP được bao gồm trong cánh, cánh đuôi và thân máy bay phía trước của
sự phát triển Harrier mới nhất, được sử dụng trong máy bay Tornado, và đã được sửdụng để xây dựng một cánh Jaguar hoàn chỉnh và cửa khoang động cơ cho mụcđích thử nghiệm Việc sử dụng CFRP trong chế tạo lưỡi máy bay trực thăng đã dẫnđến sự gia tăng đáng kể trong thời gian phục vụ của họ, trong đó khả năng chốngmỏi 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 thăngSea King, kết hợp CFRP, GRP, thép không gỉ, lõi tổ ong và làm đầy bọt Một lợi thếnữa của việc sử dụng vật liệu tổng hợp cho cánh quạt máy bay trực thăng là kỹthuật đúc = được sử dụng cho phép các biến thể của mặt cắt dọc theo nhịp, mang lạilợi ích khí động học đáng kể Cách tiếp cận này đang được sử dụng trong chế tạocác cánh quạt chính của Máy bay trực thăng GKN Westland EH101
Trang 15Hình 5 Kết cấu lá cánh máy bay trực thăng
Một vật liệu tổng hợp (sợi thủy tinh và nhôm) được sử dụng trong lắp rápđuôi 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 đểchống 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 không phải là một thành công thương mại do cấu hình canard của nó gây ra hìnhphạt 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 trậnkhác, chẳng hạn như polyetheretherketone hấp thụ độ ẩm ít hơn nhiều so với nhựaepoxy, có thời hạn sử dụng không xác định và hoạt động tốt dưới tác động, đangđược phát triển; chế tạo, tuy nhiên, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn nhiều Các vật liệutổng hợp ma trận kim loại như nhôm than chì và nhôm boron, trọng lượng nhẹ vàgiữ được độ bền ở nhiệt độ cao hơn hợp kim nhôm nhưng đắt tiền để sản xuất
Trang 16Nói 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 chiphí sản xuất vật liệu tổng hợp lớn hơn so với cấu trúc hợp kim nhôm, vì vật liệutổng hợp đòi hỏi phải làm thủ công các vật liệu và quy trình xây dựng thủ công.Những chi phí gia tăng này đặc biệt quan trọng trong việc chế tạo máy bay dândụng 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 tảitrước khi bị phá hủy Sự biến dạng này bao gồm sự thay đổi nhìn thấy được ởkích thước tiết diện và nó sẽ báo động về sự hỏng hóc của vật liệu Vật liệutrong nhóm này bao gồm thép nhẹ, nhôm, một số hợp kim, đồng và polyme
• Vật liệu giòn: Vật liệu giòn chỉ biến dạng rất ít trước khi bị phá hủy, thôngthường biến dạng chỉ khoảng 5% Vật liệu giòn có thể bị phá hủy bất ngờ màkhông có cảnh báo dễ nhìn ra Các vật liệu giòn bao gồm gang thép, thép độcứng cao, sứ
• Vật liệu đàn hồi: Vật liệu được gọi là đàn hồi nếu sự biến dạng của nó hoàntoàn biến mất khi bỏ tải Ngoài ra, với tất cả các vật liệu kỹ thuật đã biết đềuđàn hồi tuyến tính trong một số giới hạn nhất định của ứng suất sao cho biếndạng, 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 bỏtải Vật liệu dẻo là chất đàn hồi và hoạt động theo phương thức đàn hồi chođến khi đạt đến giới hạn đàn hồi, sau đó chúng biến dạng dẻo Khi giảm ứngsuất, thành phần đàn hồi của chủng được phục hồi, nhưng vùng bị biến dạngdẻo vẫn tồn tại vĩnh viễn
• Vật liệu đẳng hướng
• Vật liệu dị hướng
• Vật liệu trực hướng
Trang 172.1 Thử nghiệm vật liệu kỹ thuật
Các tính chất của vật liệu kỹ thuật được xác định chủ yếu bằng các thửnghiệm cơ học của mẫu vật gia công theo kích thước và hình dạng quy định Cácthí 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 vànén được thực hiện trên nhiều loại vật liệu Màu và kim loại màu phải chịu cả hailoại thí nghiệm, trong khi thí nghiệm nén thường được thực hiện trên nhiều vật liệuphi kim loại Các thí nghiệm tĩnh khác bao gồm kiểm tra uốn, cắt và độ cứng, trongkhi nói cách khác, độ cứng của vật liệu - khả năng chịu tải sốc của nó được xácđịnh 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 Mẫuthử được gia công từ một lô vật liệu, kích thước của chúng được xác định bằngkinh nghiệm Chúng thường ở dạng hình tròn trong mặt cắt ngang, mặc dù các mẫuthử 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 Thông thường, đườngkính một phần trung tâm của mẫu thử nhỏ hơn phần còn lại để đảm bảo rằng mẫuthử bị gãy giữa các điểm đo
Trước khi thí nghiệm bắt đầu, đường kính trung bình của mẫu thử được lấybằng 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 thínghiệm và thiết bị đo biến dạng phù hợp, thường là một máy đo độ giãn, được gắnvào mẫu thử tại các điểm đo để đo độ mở rộng trên chiều dài đo đã cho
Trang 18Hình 6 Mẫu thử hình trụ tiêu chuẩn
Tăng tải được áp dụng và các phần kéo giãn tương ứng được ghi lại Quytrình 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 kéogiãn tiếp theo là được đo bằng các vạch chia được đặt trong các điểm đo cho đếnkhi các mảnh thử nghiệm bị gãy Cuối cùng, dụng cụ đo chiều dài và đường kínhcủa 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 toán Hai tham số này cho thước đo độdẻo của vật liệu
Biểu đồ ứng suất - biến dạng được vẽ (Hình 10.9 và 10.13), ứng suất đượctính trên cơ sở của diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử đó là một ứng suấtdanh nghĩa trái ngược với ứng suất thực tế (dựa trên diện tích thực của mặt cắtngang)
Đối với vật liệu dẻo có sự khác biệt rõ rệt trong các giai đoạn sau của thửnghiệm, giảm đáng kể diện tích mặt cắt xảy ra giữa chảy dẻo và đứt gãy Từ biểu đồứng suất - biến dạng, thu được ứng suất tới hạn, ứng suất chảy dẻo và mô đunYoung, E
Có một số sự thay đổi trong bài kiểm tra độ bền kéo cơ bản vừa mô tả Một
Trang 19bị 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 dụngtrên các mẫu thử phẳng, mỗi miếng trên một mặt để loại bỏ các ảnh hưởng uốncong có thể có Đồng thời, một máy đo biến dạng có thể được gắn theo hướngvuông góc với hướng tải để các biến dạng bên được đo Tỷ lệ biến dạng bên / biếndạng dọc là hệ số Poisson.
Máy thí nghiệm thường được điều khiển bằng thủy lực Các phiên bản tinh vihơn sử dụng các cảm biến tải để ghi lại tải và tự động vẽ đồ thị chống lại sự mởrộng hoặc ứng suất chống lại ứng suất trên máy ghi dùng bút khi tiến hành thửnghiệm, một ưu điểm khi nghiên cứu đặc tính trạng thái của thép nhẹ ở trạng tháichảy dẻo
2.1.2 Kiểm tra nén
Thí nghiệm nén tương tự như thí nghiệm độ bền kéo, khác biệt là tải đượctruyền đến mẫu thử là nén chứ không phải kéo Đặt mẫu thử giữa các trục của máythí nghiệm và đảo ngược hướng nạp Các mẫu thử ở Chương 10, Các vật liệuthường có dạng hình trụ và được giới hạn về chiều dài để loại trừ khả năng hỏng domất ổn định Sau đó, sự co lại được đo trên một chiều dài đo nhất định bằng mộtthiết bị đo biến dạng phù hợp
Sự biến đổi trong các mẫu thử xảy ra yêu cầu giới hạn phá hủy của vật liệukhi nén Với mục đích này, các mẫu thử bê tông có thể có dạng hình khối có cạnhdài khoảng 10 cm, trong khi các mẫu thử thép nhẹ vẫn có dạng hình trụ trong phầnnhưng 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 thửnghiệm uốn được thực hiện trên các dầm đơn giản được chế tạo từ các vật liệu khácnhau để xác định trạng thái của chúng theo loại tải trọng này
Trang 20Hai hình dạng tải được sử dụng, tùy thuộc vào loại được chỉ định trong Quytắc 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 tậptrung được áp dụng đối xứng với thanh dầm, tạo ra lực cắt bằng không và mô-menuốn 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