Bài giảng môn học Thí nghiệm Sức bền vật liệu

Nội dung text: Bài giảng môn học Thí nghiệm Sức bền vật liệu

1. BÀI GIẢNG THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU Bài 1& 2: Kéo thép, và Kéo gang Bài 3&4: Nén thép, và nén gang Bài 5: Xác định môdun đàn hồi E khi kéo, hay (nén) Bài 6: Xác định môdun đàn hồi trượt G khi xoắn thanh tròn Bài 7: Đo chuyển vị và góc xoay của dầm console chịu uốn ngang phẳng Bài 8: Đo chuyển vị dầm console khi chịu uốn xiên Bài 9: Tìm lực Pth khi uốn dọc Phòng thí nghiệm Sức Bền Vật Liệu Bộ môn Sức Bền & Kết Cấu Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Đại học Bách Khoa TPHCM 1
2. 1.3 MẪU THÍ NGHIỆM Theo tiêu chuẩn nhà nước TCVN 197-85 (197-2000). Mẫu có thể là tiết diện tròn (đường kính d0) hoặc tiết diện chữ nhật (tiết diện a0xb0 ) có dạng sau: R do bo ao Lo L Trong đó: Chiều dài tính toán (chiều dài khảo sát) ban đầu Lo của mẫu Với mẫu tròn : Lo = 10do hay 5do L = (10do hay 5do) + do Với mẫu dẹp : Lo 11,3 Ao (mẫu dài) Lo 5,65 Ao (mẫu ngắn) Lo 4 Ao (mẫu vật liệu dòn) L = Lo + bo/2 Bán kính R và kích thước đầu ngàm (đầu to của mẫu thử tùy thuộc do và máy kéo). 1.4 DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM - Dùng thước kẹp chính xác 1/50mm, hoặc cân kỹ thuật 0,01g - Dụng cụ kẻ vạch (để chia khoảng) lên mẫu - Máy kéo nén vạn năng M.A.N. 1.5 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM - Đo do Lo, (mẫu tròn) hay bo, ao (mẫu chữ nhật) ban đầu. - Khắc vạch lên mẫu (1cm một khoảng chia) dùng để tính L1 sau khi kéo đứt - Dự đoán giới hạn bền của vật liệu, (lực kéo đứt của mẫu) để từ đó định cấp tải trọng thích hợp - Chọn ngàm kéo và cấp tải của máy thích hợp với đường kính của mẫu thử. - Đặt mẫu vào ngàm kéo, kiểm soát kim chỉ lực, bút trên ru lô vẽ biểu đồ. 1.6 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Cho máy tăng lực từ từ, theo dõi trên đồng hồ lực và biểu đồ, đọc lực chảy Pch (nơi lực không tăng mà biến dạng tăng), và lực bền Pb. (lực lớn nhất khi mẫu bị đứt) dựa theo biểu đồ quan hệ lực biến dạng. Khi mẫu đứt tắt máy, xả áp lực trong máy và lấy mẫu thử ra. 3
3. Đặc trưng chịu lực khi chịu nén của Pch Thép:  ch Ao n PB h Gang:  B Ao 3.3 MẪU THÍ NGHIỆM Hình trụ tròn (hoặc lăng trụ) h có đường kính do, chiều cao h, với : 1 3 d 0 d0 3.4 DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM - Thước kẹp chính xác 1/50 mm 3.5 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM - Đo do và h - Tính Ao, dự đoán lực lớn nhất để định cấp tải trọng của máy - Đặt mẫu vào giữa hai bàn nén sao cho nén được đúng tâm - Điều chỉnh số 0 (nếu có yêu cầu), kiểm soát bộ phận vẽ biểu đồ 3.6 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM - Mở máy cho lực tác dụng tăng từ từ - Với thép theo dõi đồ thị lực và biến dạng và đọc lực Pch ở giai đoạn chảy, tiếp tục tăng lực đến 70 - 80% cấp tải đang sử dụng thì dừng lại. - Với gang tăng lực đến khi phá hỏng PB (lực bền) thì dừng lại - Xả áp lực máy, lấy mẫu ra 3.7 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Pch - Tính giới hạn chảy của thép:  ch Ao n PB - Tính giới hạn bền của gang:  B Ao - Vẽ lại biểu đồ quan hệ giữa lực P và biến dạng L - Vẽ lại dạng sau cùng (sau khi thí nghiệm) của mẫu thép hay dạng phá hỏng của mẫu gang. 3.8 NHẬN XÉT THÍ NGHIỆM - Đánh giá phẩm chất của vật liệu trên cơ sở so sánh với bài thí nghiệm kéo thép. - Giải thích dạng mẫu thép và dạng phá hỏng mẫu gang sau khi thí nghiệm. 7
4. Như vậy từ một độ biến dạng bé L trên mẫu chúng ta đã dùng dụng cụ khuyếch đại để đọc một trị số lớn L thông qua hệ số phóng đại m. Thí du: với a = 4,5mm, LB = 2250mm thì độ phóng đại là : 2x2250 m 1000 lần 4,5 Chúng ta có thể thay đổi m bằng cách thay đổi LB ; LB càng lớn ta có độ phóng đại càng lớn nhưng khoảng cách LB giữa thước và ống kính càng xa số đọc sẽ không rõ. Như vậy từ một độ biến dạng bé L trên mẫu chúng ta đã dùng dụng cụ khuyếch đại để đọc một trị số lớn L thông qua hệ số phóng đại m. Thí du: với a = 4,5mm, LB = 2250mm thì độ phóng đại là : lần Chúng ta có thể thay đổi m bằng cách thay đổi LB ; LB càng lớn ta có độ phóng đại càng lớn nhưng khoảng cách LB giữa thước và ống kính càng xa số đọc sẽ không rõ. 5.3 MẪU THÍ NGHIỆM Tương tự như mẫu thí nghiệm kéo đúng tâm, mặt cắt ngang có thể hình tròn hay hình chữ nhật, chiều dài sao cho có thể gắn được chuẩn đo ten xơ mét (chiều dài chuẩn đo thường 100 hay 200mm), đầu mẫu tùy thuộc ngàm kéo thế nào đảm bảo được càng đúng tâm càng tốt. 5.4 DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM - Thước kẹp - Thước dây thép - Bộ ten xơ mét quang: gồm 2 ten xơ mét A và B với hệ số phóng đại mA và mB 5.5 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM - Đo kích thước mặt cắt ngang của mẫu, tính Ao và dự đoán lực chảy mẫu để định cấp tải trọng của máy. - Đặt mẫu thí nghiệm vào ngàm kéo, gắn ten xơ mét vào và điều chỉnh sao cho khi nhìn qua ống kính thấy rõ được các vạch chia trên thước. - Đo khoảng cách LA, LB từ gương đến thước của 2 ten xơ mét A và B tương ứng. - Lập bảng ghi kết quả 5 – 1 9
5. Chuyển vị kế dùng đo chuyển vị 0,01mm 13
6. 6.7 TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM - Mô men xoắn: Mz = P.b - Tính trung bình của hiệu các số đọc trên chuyển vị kế A B  i i A ; B  tb n tb n - Góc xoắn trung bình tại mặt cắt A và B : A B tb ; tb A,tb a B,tb a - Góc xoắn trung bình tương đối giữa A và B là : tb A,tb B,tb M .L - Mô đun đàn hồi G xác định như sau : G z AB I P . tb -Vẽ đường biểu diễn quan hệ P và các số đọc Ai và Bi 6.8 NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Nhận xét về sự tuyến tính các số đọc trên chuyển vị kế (kiểm nghiệm định luật Hooke). So sánh kết quả G tìm được với G tính theo công thức: E 2 G hay GLT= 8100kg/mm LT 2(1 ) - Với E, µ có được từ thí nghiệm ta có thể tính GLT. (E=200.000N/mm2, =0,3) -Tính sai số phần trăm. - Nhận xét về sự chính xác của phép đo, dụng cụ đo và phương pháp tính. 17
7. 7.4 DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM -Thước kẹp - Thước dây thép - Các chuyển vị kế điện tử (mm) - Các quả cân 7.5 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM -Đo kích thước mẫu b,h và khoảng cách LB,LC, LD, - Đặt các chuyển vị kế tại các vị trí muốn đo B,C,D - Lực tác dụng đặt tại C +Lập bảng ghi kết quả. Tải trọng Số đọc trên chuyển vị kế (mm) p ∆p Tại B Tại C Tại D Ghi Số chú lần kG kG Số đọc Hiệu số Số đọc Hiệu số Số Hiệu số (N) (N) đọc 1 P1 B1 C1 D1 2 P2 P2-P1 B2 B= C2 C= D2 D= B3-B2 C3-C2 D3-D2 3 P3 P3-P2 B3 C3 D3 . 4 P4 . n Pn  B  C  D 7.6 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM -Xem trọng lượng móc treo là P0,chỉnh đồng hồ về 0 - Lần lược tác dụng P1, P2, P3, với mỗi lần gia tải với ∆P là hằng số - Kiểm soát số đọc bằng sự tuyến tính giữa lực và chuyển vị 7.7 TÍNH TOÁN KẾT QUẢ -Tính các chuyển vị tại B,C,D theo công thức lý thuyết đã cho ở trên -Tính trung bình các số đọc trên các chuyển vị kế đã đo ở bảng kết quả  D  B  C D B C tb n tb n tb n Suy ra độ võng ứng với ∆P hằng số là: yD = ∆Dtb , yC ,= ∆Ctb , yB = ∆Btb yD yC -Tính gián tiếp góc xoay tại C theo công thức lý thuyết và thí nghiệm: C LD LC -Vẽ đồ thị liên hệ giữa lực và các chuyển vị tại B,C,D 19
8. BÀI 8 ĐO CHUYỂN VỊ CỦA DẦM CHỊU UỐN XIÊN 7.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định phương và chuyển vị toàn phần f của (trọng tâm) dầm console chịu uốn xiên. Kiểm nghiệm lại với chuyển vị tính theo công thức lý thuyết. 7.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trường hợp dầm consol chịu tác dụng của lực P hợp với trục đối xứng y một góc bằng thì chuyển vị tại đầu tự do của dầm gồm: (chiếu lên 2 phương) 3 3 Py l Pl cos f x  Chuyển vị theo phương y: f y O 3EI x 3EI x 3 3 Px l Pl sin  Chuyển vị theo phương x: f x 3EI y 3EI y f f y Trong đo l : khoảng cách từ điểm đặt lực P đến ngàm bh 3 hb 3 I , I : momen quán tính của mặt cắt ngang đối với x 12 y 12 trục x và trục y 2 2 Chuyển vị tâm tiết diện O là f f x f y f f hợp với phương y một góc với tg x . f y Nếu chúng ta dùng chuyển vị kế để đo trực tiếp các chuyển vị f x , f y thì có thể xác định được f và , từ đó so sánh với lý thuyết. Chuyển vị kế L Mẫu 0 b 0 Py P h x Móc treo quả cân y P x Ngàm x y P 7.3 MẪU THÍ NGHIỆM Mẫu bằng thép có mặt cắt ngang b x h và hệ thống treo cân bố trí như hình vẽ sau: 7.4 DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM Thước kẹp Dây dọi kiểm soát phương thẳng đứng Thước đo góc. 21
9. Bài 9 XÁC ĐỊNH LỰC TỚI HẠN KHI UỐN DỌC 8.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định lực tới hạn khi nén đúng tâm một thanh, so sánh trị số xác định bằng thực nghiệm với trị số tính toán bằng công thức lý thuyết 8.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trường hợp một thanh hoàn toàn thẳng, chịu nén đúng tâm bởi lực P, lực tới hạn được xác định bởi công thức Euler như sau: 2 EI min Pth (L) 2 = 1/2 = 2 = 1 = 0,7 Dạng mất ổn định và hệ số  µ : tuỳ thuộc liên kết hai đầu thanh: - Hai đầu thanh liên kết khớp µ =1 (trường hợp1) - Một đầu ngàm một đầu khớp µ = 0,7 (trường hợp2) - Hai đầu ngàm µ = 0,5 (trường hợp3) - Một đầu ngàm một đầu tự do µ = 2 (trường hợp4) Như vậy, xác định lực tới hạn bằng phương pháp trực tiếp như sau:  Chúng ta cần tăng dần giá trị lực nén P lên từ từ và ghi nhận giá trị lực này khi thanh bị cong mà không trở về lại dạng ban đầu và lý thuyết đã chỉ ra giá trị lực P đấy chính là lực tới hạn 8.3. MẪU THÍ NGHIỆM Mẫu là một thanh thẳng, có mặt cắt ngang hình chữ nhật bxh , chiều dài L, liên kết ở hai đầu khác nhau ứng với 4 trường hợp theo thứ tự bên trái qua phải với mô hình thí nghiệm như hình bên dưới 23
10. Theo công thức lý thuyết tính Pth cho 4 trường hợp liên kết: ( b = 0,5mm, h = 12mm, L= 180mm , E= 210.000N/mm2) 2 EI 2 x2.10000x0.125 Trường hợp 1: P min = 8N th (L)2 (1x180)2 2 x2.10000x0.125 Trường hợp 2: = 16,3N (0,7x180)2 2 x2.10000x0.125 Trường hợp 3: = 32N (0,5x180)2 2 x2.10000x0.125 Trường hợp 4: = 2N (2x180)2 8.6 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Đặt các quả cân từ trị số P1 , P2 P4 và theo dõi đến khi thấy mất ổn định. Ghi lại giá trị làm thanh mất ổn định và vẽ lại dạng mất ổn định ứng với các trường hợp liên kết khác nhau - Chú ý đặt các quả cân nhẹ nhàng và chậm rãi (kết quả ghi vào bảng) Pth (lý thuyết) Pth (thực hành) Sai số % Ghi chú (N) (N) 2 16,3 32 2 25