Tài liệu Thí nghiệm Sức bền vật liệu Đại học Bách Khoa TPHCM

báo cáo thí nghiệm sức bền vật liệu mẫu báo cáo thí nghiệm sức bền vật liệu giao trinh thi nghiem suc ben vat lieu bài giảng thí nghiệm sức bền vật liệu sức bền kết cấu đại học bách khoa trường đại học bách khoa đại học bách khoa trường đại học bách khoa đà nẵng đại học bách khoa hà nội đai học bách khoa đà nẵng dai hoc bach khoa đại học bách khoa thư viện đại học bách khoa hà nội khoa cơ khí trường đại học bách khoa đại học bách khoa đà nẵng tài liệu thí nghiệm sức bền vật liệu thí nghiệm sức bền vật liệu báo cáo thí nghiệm sức bền vật liệu mẫu báo cáo thí nghiệm sức bền vật liệu bài báo cáo thí nghiệm sức bền vật liệu báo cáo thí nghiệm sức bền vật liệu 2 báo cáo thí nghiệm sức bền vật liệu 1 giao trinh thi nghiem suc ben vat lieu bài giảng thí nghiệm sức bền vật liệu kỹ sư tài năng đại học bách khoa tp hcm

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

- Độ dãn tương đối khi kéo đứt %

- Độ thắt tỷ đối khi kéo đứt %

+ Đối với gang: Tìm giới hạn bền khi kéo đứt k

b, 1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong chương kéo, nén đúng tâm ta biết đồ thị quan hệ giữa lực kéo P và biến dạng

dài L của mẫu kéo như sau:

Trong đó: A o : diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thí nghiệm

A 1 : diện tích mặt cắt ngang mẫu nơi bị kéo đứt

P tl P

Kéo thép

A

P B P

Kéo gang

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:

Trong đó:

Chiều dài tính toán (chiều dài khảo sát) ban đầu L o của mẫu

Với mẫu tròn : L o = 10d o hay 5d o

- 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 d o L o , (mẫu tròn) hay b o , a o (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 P ch (nơi lực

không tăng mà biến dạng tăng), và lực bền P b (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

L Lo

do

P





b Chấp liền mẫu bị đứt lại, vẽ lại dạng mẫu sau khi chấp liền, đo lại chiều dài

sau khi đứt L 1 của mẫu bằng thước kẹp tùy theo vị trí vết đứt cho các trường hợp sau: Gọi N là số khoảng phân đều trên chiều dài L o của mẫu trước khi kéo

Gọi A là vạch ngoài cùng gần vị trí đứt 0 nhất: A0 = x (đếm số khoảng chia)

* Nếu

3

2 3

Lo x

Lo  (xem như mẫu bị đứt ở khoảng giữa đoạn L0): thì L1 là khoảng cách của 2 vạch biên mẫu thử với N khoảng ban đầu

* Nếu

3

Lo

x (vết đứt ở biên) lấy điểm B nằm trên vạch đối xứng của A qua vị trí vết đứt

0 (tính bằng khoảng chia), gọi n là số khoảng trên đoạn AB đó

 Trường hợp N - n bằng số chẵn: lấy điểm C sao cho số khoảng trên đoạn từ B đến

C là: BC = (N - n) / 2 và L1 tính như sau :

L 1 = AB + 2BC

 Trường hợp N - n bằng số lẻ: Lấy điểm C sao cho số khoảng trên đoạn từ B đến

C là BC bằng (N - n -1)/2 và lấy điểm C' tiếp theo sao cho CC' = 1 khoảng và tính

d Vẽ lại đồ thị P - L và dạng mặt cắt bị phá hỏng của mẫu thép sau khi kéo đứt

B Đối với gang

a Tính giới hạn bền theo công thức:

o

B k B

- Nhận xét dạng biểu đồ P - L giữa lý thuyết và thí nghiệm Nêu cơ tính về vật liệu

dẻo của thép và gang (vật liệu dẻo và dòn).Giải thích dạng phá hỏng của vật liệu

N khoảng

O

A

x

BÀI 3 & 4

THÍ NGHIỆM NÉN MẪU THÉP &GANG

3.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Xác định các đặc trưng cơ học của thép và gang:

Tìm: - Giới hạn chảy ch khi nén mẫu thép

Nén gang

L

Đặc trưng chịu lực khi chịu nén của

Thép:

o

ch ch

3.4 DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

- Thước kẹp chính xác 1/50 mm

3.5 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM

- Đo d o và h

- Tính A o, 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 P ch 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

- Tính giới hạn chảy của thép:

o

ch ch

A

P





- 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

d 0

h

P  



L A

PL E

o

o





Trong đó: P : lực kéo (hay nén)

L o : chiều dài khảo sát ban đầu (chuẩn đo của dụng cụ)

L : độ dãn dài tương ứng với khoảng L o của mẫu khi chịu lực P

A o : diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử

Thường L nhỏ, nên dể xác định được L ta dùng dụng cụ khuyếch đại là ten xơ mét

quang

* Đo biến dạng bằng ten xơ mét quang học

Ten xơ mét quang học là một dụng cụ khuyếch đại, dùng để đo biến dạng bé Hệ thống dụng cụ này gồm: một thanh bằng kim loại tuyệt đối cứng (1) còn gọi là chuẩn đo, một đầu có mấu nhọn đầu kia có rãnh V Con dao hình thoi (2) một cạnh chạm vào mẫu (3), một cạnh được giữ cố định vào đáy rãnh V (xem hình vẽ); trên con dao có gắn liền một trục với gương phẳng phản chiếu Một cây thước thẳng có phân độ đến mm, gắn vào hệ thống chân ba (5) và chân ba này có mang thêm ống kính (6), ống kính có thể điều chỉnh

để nhìn rõ ảnh của thước phản chiếu qua gương

Dùng ten xơ mét quang học để tìm một cách gián tiếp độ biến dạng L tương ứng

với đoạn L o ban đầu của mẫu thử dưới tác dụng của lực P bằng hai tenxơmét đặt hai bên

của mẫu khi chưa tác dụng lực (hay lực ban đầu P0 ), gương ở vị trí ban đầu, nhìn qua ống kính ta đọc được số đọc A0 trên cây thước A,và B0 trên thước B; khi tác dụng thêm lực P

vào mẫu thử (lúc nầy lực tác dụng là P1= P0+P), thì đoạn mẫu thử L o giãn ra một đoạn

là  l làm đầu tiếp xúc của mẫu với đầu con dao hình thoi di chuyển theo; làm quay

gương một góc α và tia phản chiếu quay một góc 2α do đó ta đọc được số đọc A1 trên cây thước bên A và B1 trên thước B…

Gọi khoảng cách A 0 A 1 = A1, khoảng cách từ gương đến thước là L, đường chéo lớn của con dao hình thoi là a như hình vẽ, vì α là góc nhỏ nên ta có:

a L

B







Ta thấy hiệu số đọc A1 và B1 trên thước A và B ứng với độ giãn L TB của mẫu thử liên

hệ với nhau bởi độ phóng đại m

m =2L /a ( thí dụ: mB tương ứng với LB…) Với a=4,5mm

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, L B = 2250mm thì độ phóng đại là :

5 , 4

2250

 x

Chúng ta có thể thay đổi m bằng cách thay đổi L B ; L B càng lớn ta có độ phóng đại

càng lớn nhưng khoảng cách L B 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, L B = 2250mm thì độ phóng đại là :

5 , 4

2250

 x

Chúng ta có thể thay đổi m bằng cách thay đổi L B ; L B càng lớn ta có độ phóng đại

càng lớn nhưng khoảng cách L B giữa thước và ống kính càng xa số đọc sẽ không rõ

Số lần Tải trọng Số đọc trên thước của ten xơ mét (cm)

Sau đó tăng lực theo từng cấp P bằng nhau, ứng với mỗi lần tăng lực đọc và ghi

lại trị số đọc trên hai ten xơ mét tương ứng

5.7 TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

- Tính hiệu số trung bình của hiệu các số đọc bên phải và bên trái

A

tb tb

m

B m

A L

2 1

- Tính mô đun đàn hồi

o tb

o

A L

L P E

- Nhận xét về các số gia A i = A i - A i-1 ;B i = B i - B i-1 có phải là hằng số theo P

không? Nếu có sai nhiều thì tìm nguyên nhân vì sao? Định luật Hooke có chính xác

không?

- Nhận xét đồ thị (P, A i )và (P, B i)

- So sánh kết quả thí nghiệm với mô đun đàn hồi lý thuyết của vật liệu (giả sử thép

có E = 200.000N/mm 2), tính sai số phần trăm

Hệ thống tenxơmét quang dùng đo biến dạng

Thước, ống kính, gương, thanh tuyệt đối cứng (chuẩn đo)

Khi xoắn thuần tuý thanh mặt cắt ngang hình trịn, gĩc xoắn tương đối giữa hai mặt

cắt ngang A, B cách nhau một khoảng là L AB bằng:

P

AB z AB

I G

L M

.



 

AB P

AB z

I

L M G





Trong đĩ: M z - mơ men xoắn (hằng số trên chiều dài L AB)

I p - mơ men quán tính cực của mặt cắt ngang Nếu chúng ta xác định

được M z , L AB , I p và đo được AB thì cĩ cĩ thể suy ra G

6.3 MẪU THÍ NGHIỆM

Dụng cụ đo modun đàn hồi trượt G

Mẫu thí nghiệm (1) là 1 thanh cĩ tiết diện trịn một đầu được kẹp chặt vào ngàm, đầu kia cho vào ổ bi (bạc đạn) (2) cĩ thể xoay tự do được, bên ngồi cĩ 1 đầu thừa để gắn một

thanh ngang (3) để treo các quả cân tạo ra momen xoắn M z Trong khoảng giữa ngàm và

ổ bi gắn 2 thanh ngang (4) tại A và tại B, ở đầu mỗi thanh ngang đặt một chuyển vị kế

(xem hình vẽ)

Khi đặt quả cân, thanh chịu xoắn thuần tuý, tại A,B cĩ những gĩc xoắn A ,B (gĩc

xoắn tuyệt đối giữa A, B với ngàm) làm cho hai thanh ngang (4) xoay và đầu hai thanh

ngang chuyển vị Với chuyển vị kế ta đo được chuyển vị A, B và được

quả cân

chuyển vị kế

- Gắn thanh treo cân vào hệ thống

- Đặt chuyển vị kế chạm vào thanh ngang

- Lập bảng ghi kết quả như sau:

Số lần Tải trọng Số đọc trên chuyển vị kế (x 10 -2

n P n P=P n -P n-1 A n A n = A n –A n-1 B n B n = B n –B n-1

6.6 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

- Xem trọng lượng của móc treo và thanh ngang (3) là tải trọng ban đầu P 0 , đọc A 0 , B 0

trên 2 chuyển vị kế (có thể điều chỉnh các số đọc là 0)

- Đặt 1 quả cân 1kG vào móc treo (tức P 1 = P 0 + P= P 0 +1kG) đọc các số đọc A 1 , B 1

tương ứng

- Lần lượt đặt thêm một quả cân 1kG vào móc treo và đọc các số đọc tương ứng

6.7 TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

- Mô men xoắn: M z = P.b

- Tính trung bình của hiệu các số đọc trên chuyển vị kế

, B



- Góc xoắn trung bình tương đối giữa A và B là : tb  A,tb  B,tb

- Mô đun đàn hồi G xác định như sau :

tb P

AB z I

L M G

-Vẽ đường biểu diễn quan hệ P và các số đọc A i và B i

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:

) 1 (

7.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trường hợp dầm console có độ cứng EIx chịu tác dụng của lực P như hình vẽ

Theo lý thuyết chuyển vị của dầm chịu uốn tại B,C,D có công thức tính chuyển vị như sau:

Ngoài ra đường đàn hồi của dầm trong đoạn CD là bậc nhất nên có thể tính gián tiếp góc xoay tại C theo các chuyển vị như sau:

C D

C D C

L L

y y

b

Đồng hồ đo

-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

p ∆p Tại B Tại C Tại D

kG

(N)

kG (N)

-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

n D







 Ctb Suy ra độ võng ứng với ∆P hằng số là: yD = ∆Dtb , yC ,=∆Ctb , yB = ∆Btb

-Tính gián tiếp góc xoay tại C theo công thức lý thuyết và thí nghiệm:

C D

C D C

L L

y y









Bảng so sánh giũa lý thuyết và thực hành

Chuyển vị tại B (mm)

Chuyển vị tại C (mm)

Chuyển vị tại D (mm)

Góc xoay tại C Ghi chú

Lý thuyết

Thí nghiệm

Sai số (%)

7.8 NHẬN XÉT KẾT QUẢ

- Dựa vào đồ thị nhận xét sự tuyến tính giữa các số đọc tại B,C,D

- Tìm và nhận xét các nguyên nhân sai số

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)

 Chuyển vị theo phương y:

x x

y y

EI

Pl EI

l P f

3

cos 3

3 3

x x

EI

Pl EI

l P f

3

sin 3

7.5 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM

+ Đo b, h, L

+Dự đoán giới hạn tải trọng, chọn số gia tải trọng P

+Đặt mẫu vào ngàm, đo góc , gắn chuyển vị kế và móc treo cân

 Xem trọng lượng móc treo và thanh treo cân là P 0 , ghi số đọc trên 2 chuyển vị kế x 0 , y 0

 Lần lượt đặt các qủa cân 1kG ( tức là thêm P = 1kG ) vào để tạo P 1 , P 2, sao cho P không đổi, mỗi lần đặt qủa cân đọc các chuyển vị kế để có x 1 , y 1 , x 2 , y 2,

 Kiểm soát hiệu số các số đọc phải không đổi, ứng với P hằng số, nếu sai lệch nhiều quá cần xem lại cách bố trí thí nghiệm và làm lại

-Sai biệt giữa thí nghiệm và lý thuyết (%)

-Đánh giá mức độ chính xác của thí nghiệm

-Tìm hiểu nguyên nhân gây sai số

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

min 2)

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)

 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

Dạng mất ổn định và hệ số 

= 2

= 1 = 0,7 = 1/2

đỡ bên trên (6) để đặt các quả cân Các thanh thép được ngàm giữ bằng các vis (M5) tại các gối đỡ

Các thanh thép (2) được làm bằng thép lò xo có kích thước b x h , chiều dài L có modun đàn hồi là E

Tải trọng được tác động bằng cách sử dụng một bộ các quả cân 5N và 1N

Theo công thức lý thuyết tính P th cho 4 trường hợp liên kết:

( b = 0,5mm, h = 12mm, L= 180mm , E= 210.000N/mm2)

Trường hợp 1: min2

2

) ( L

8 )

180 1 (

125 0 10000 2

3 , 16 )

180 7 , 0 (

125 0 10000 2

32 )

180 5 , 0 (

125 0 10000 2

2 )

180 2 (

125 0 10000 2

Đặt các quả cân từ trị số P 1 , P 2 .P 4 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) (N)

Pth (thực hành) (N)

Sai số % Ghi chú

2 16,3

32

2