4-Giao trinh_MH10_Suc ben VL

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Chủ biên: Đồng tác giả: Nguyễn Xuân An Trịnh Tài Phú – Lê Ngọc Kính – Tào Ngọc Minh GIÁO TRÌNH SỨC BỀN VẬT LIỆU (Ban hành nội bộ) Hà Nội – 2012 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Ngày khoa học kỹ thuật phát triển vũ bão, ngành kỹ thuật chiếm vị trí tương đối quan trọng kinh tế Vì việc đào tạo nhân lực cho ngành kỹ thuật đóng vai trị quan trọng để tạo nguồn nhân lực có lực phục vụ cho kinh tế phát triển nước ta ‘‘Sức bền vật liệu” môn khoa học bán thực nghiệm thuộc khối kỹ thuật giảng dạy trường cao đẳng, đại học kỹ thuật Nó cung cấp kiến thức cần thiết tác dụng học để giả vấn đề thực tế việc thiết kế chế tao, tính bền cho chi tiết, mơn học sở cho nhiều mơn học chun ngành thuộc khố kỹ thuật Giáo trình “Sức bền vật liệu ” xây dựng sở giáo trình giảng dạy trường kỹ thuật kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy giáo viên ngành Giáo trình biên soạn cho phù hợp với đặc điểm sinh viên trường cao đẳng nghề Giáo trình “Sức bền vật liệu ” biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới, nội dung đề cập tới kiến thức tính tốn độ bền, độ cứng, ổn định chi tiết Để đáp ứng tính chất đặc trưng nghề khí Trong biên soạn giáo trình tác giả có nhiều cố gắng khơng tránh khỏi khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến từ bạn đọc Hà Nội, Ngày 30 tháng 08 năm 2012 Tham gia biên soạn Chủ biên: Nguyễn Xuân An Các GV tổ LT sở MỤC LỤC Đề mục Lời giới thiệu Mục lục Chương I: Những khái niệm chung Giới thiệu lịch sử môn học Nhiệm vụ đối tượng nghiên cứu môn học Các giả thuyết vật liệu Ngoại lực, nội lực, phương pháp mặt cắt ứng suất Các loại biến dạng Chương II : Kéo nén tâm Khái niệm kéo - nén tâm 2.Nội lực 3.Ứng suất biến dạng Đặc trưng học vật liệu Tính tốn kéo (nén) tâm Chương III: Cắt - Dập Khái niệm Cắt Khái niệm Dập Chương IV: Đặc trưng học hình phẳng Khái niệm mơmen tĩnh Khái niệm mơmen qn tính Bán kính quán tính Chương V: Xoắn túy 1.Khái niệm xoắn túy Ứng suất biến dạng mặt cắt trịn chịu xoắn Tính tốn xoắn túy Chương VI: Uốn ngang phẳng Khái niệm uốn ngang phẳng Nội lực biểu đồ nội lực Ứng suất dầm chịu uốn ngang phẳng Tính tốn uốn ngang phẳng Chuyển vị dầm chịu uốn Chương VII: Thanh chịu lực phức tạp Khái niệm chịu lực phức tạp Uốn xiên Uốn ngang phẳng kéo (nén) đồng thời Uốn xoắn đồng thời Chương VIII: Ổn định thẳng chịu nén tâm 1.Khái niệm ổn định, lực tới hạn ứng suất tới hạn Cơng thức tính lực tới hạn, ứng suất tới hạn theo Euler Cơng thức tính lực tới hạn ứng suất tới hạn theo Iasinki Tính tốn ổn định Trang 10 15 17 17 20 24 27 36 39 43 45 49 52 54 57 61 61 64 67 69 71 72 78 83 87 89 89 90 Chương IX: Tính độ bền thẳng chịu ứng suất thay đổi Khái niệm chịu ứng suất thay đổi Hiện tượng mỏi vật liệu Chu trình đặc trưng chu trình ứng suất Giới hạn mỏi Các nhân tố ảnh hưởng đến giới hạn mỏi, biện pháp khắc phục Tính độ bền theo hệ số an tồn 93 93 93 94 95 97 MÔN HỌC: SỨC BỀN VẬT LIỆU Mã mơn học : MH10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học - Vị trí: + Sức bền vật liệu mơn học kỹ thuật sở bố trí sau học sinh học môn: Cơ lý thuyết Vật liệu kim loại + Sức bền vật liệu cung cấp kiến thức cho môn chi tiết máy kỹ thuật chun mơn ngành - Tính chất: + Sức bền vật liệu môn khoa học kết hợp chặt chẽ lý thuyết thực nghiệm + Là môn học thuộc môn học, mô-đun kỹ thuật sở bắt buộc - Ý nghĩa Giúp sinh viên nắm kiến thức bản, sở kỹ thuật vận dụng tính tốn thực tế - Vai trị Là mơn lý thuyết sở cho mơn chun ngành nên có vai trị quan trọng chương trình đào tạo nghề cắt gọt kim loại Mục tiêu mơn học: - Trình bày khái niệm môn học như: biến dạng, nội lực, ứng suất, độ bền, độ cứng, độ ổn định chi tiết máy - Phân tích ý nghĩa đại lượng đặc trưng cho tính chất học vật liệu - Xác định phương pháp đưa chi tiết từ kết cấu thực sơ đồ tính phân tích thành loại biến dạng - Vẽ biểu đồ nội lực xác định mặt cắt nguy hiểm chi tiết - Vận dụng điều kiện bền, điều kiện cứng, điều kiện ổn định để giải ba tốn mơn sức bền vật liệu - Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập Nội dung môn học : CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU Mã chương: CHI Giới thiệu: Những khái niệm mở đầu có ý nghĩa quan trọng q trình nghiên cứu, tính tốn mơn học Những khái niệm giúp sinh viên hiểu cụm từ quy ước ký hiệu thường sử dụng mơn học Mục tiêu: + Trình bày nhiệm vụ đối tượng nghiên cứu môn học + Trình bày khái niệm: Vật rắn thực, ngoại lực, nội lực, phương pháp mặt cắt, ứng suất, biến dạng + Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập Giới thiệu lịch sử môn học Từ kỷ 18 người có cơng trình xem khởi đầu mơn học Năm 1729 Buyphinghe đưa dạng quan hệ phi tuyến ưnhs suất biến dạng Sau năm 1768 Húc đưa quy luật vật thể đàn hồi với dạng tuyến tính đồng thời ơng có cơng trình : - Lý thuyết toán học uốn đàn hồi Ơle Becnuli - Tính ổn định Ơle - Dao động ngang đàn hồi - Nghiên cứu lý thuyết lực đàn hồi khơng khí(Lơmơnơxốp) Cuối kỷ 18 đầu kỷ 19 nhà bác học người Pháp Navie xuất phát từ quan điểm lực tương tác phần tử Niu tơn đề xuất lý thuyết đàn hồi rời rạc Năm 1822 Côsi đưa khái niệm trạng thái ứng suất điểm viết phương trình cân với biểu thức biểu diễn tương quan ứng suất biến dạng cho vật thể đẳng hướng Ta kết luận Naviê, Cơsi Ostrogratxki, Pốtxơng người đặt móng cho lý thuyết đàn hồi toán học Vào cuối kỷ 19 nhu cầu phát triển công nghiêp thơi thúc nhà khoa học tìm cách tính tốn nhanh chóng tốn thực tế phát sinh ngành lý thuyết đàn hồi ứng dụng lý thuyết sức bền vật liệu Vào cuối kỷ 19 sang đầu kỷ 20 ngành học vật rắn biến dạng phát triển vô rộng lớn NHIỆM VỤ VÀ ĐỐI TƯỢNG CỦA CƠ HỌCVẬT RẮN BIẾN DẠNG Mục tiêu: +Trình bày nhiệm vụ đối tượng nghiên cứu môn học 2.1 Nhiệm vụ Sức bền vật liệu môn khoa học nghiên cứu thực nghiệm, khả chịu lực biến dạng vật thể để đề phương pháp tính cho vật thể đủ bền, đủ cứng, đủ ổn định tiết kiệm vật liệu - Độ bền: khả chịu lực lớn chi tiết cho chi tiết không bị phá hỏng - Độ cứng: khả chịu lực lớn chi tiết cho biến dạng không lớn làm ảnh hưởng đến điều kiẹn làm việc bình thường - Độ ổn định: Là khả chịu lực lớn chi tiết cho chi tiết không bị thay đổi hình dáng hình học trình làm việc bình thường Sức bền vật liệu đề phương pháp tính tốn ,lập nên biểu thức tốn học thỏa mãn điều kiện bền, điều kiện cứng điều kiện ổn định Xuất phát từ Sức bền vật liệu chủ yếu giải dạng toán bản: + Bài toán kiểm tra độ bền + Bài tốn xác định kích thước hợp lý + Bài toán xác định tải trọng cho hợp lý 2.2 Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu môn sức bền vật liệu vật rắn thực - Vật rắn thực vật rắn có tác dụng ngoại lực xảy biến dạng bị phá b, a, hỏng - Vật rắn thực phân làm dạng bản: + Vật thể dạng khối: Vật thể có kích thước theo ba phương lớn tương đương (Hình 1-1a) c, + Vật thể dạng thanh: Vật thể có kích thước Hình 1-1 phương lớn nhiều so với phương lại (Hình 1-1b) + Vật thể dạng tấm: Là vật thể mà kích thước hai phương lớn nhiều so với phương cịn lại, phương có kích thước bé gọi bề dày (Hình 1-1c) Sức bền vật liệu chương trình chủ yếu nghiên cứu vật thể dạng thẳng Mặt cắt ngang Hình 1-2 Phân loại theo tiết diện: - Hình chữ nhật - Hình vng - Hình trịn… Đối tượng nghiên cứu mơn học vật rắn thực (tức vật rắn biến dạng) CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN VỀ VẬT LIỆU Mục tiêu: + Trình bày khái niệm: Vật rắn thực, ngoại lực, nội lực, phương pháp mặt cắt, ứng suất, biến dạng 3.1 Các giả thiết liên tục, đồng tính đẳng hướng *Sự liên tục: Các phần tử vật liệu nơi vật thể phân bố liên tục Tức chúng khơng có khe hở coi vật thể khơng có khuyết tật *Sự đồng tính: Các phần tử vật liệu tất nơi vật thể có tính chất *Sự đẳng hướng: Khả chịu lực phần tử vật liệu vật thể theo hướng 3.2 Vật liệu có tính đàn hồi hồn tồn - Tính đàn hồi khả trở trạng thái ban đầu vật có biến dạng tác dụng ngoại lực - Đàn hồi hoàn toàn tác dụng ngoại lực (ngoại lực phải nằm P biến dạng, tác dụng lực vật thể trở giới hạn đàn hồi vật) vật thể bị lại y nguyên trạng thái ban đầu (tức khơng có biến dạng dư) Hình 1-3 Giả thuyết rõ sức bền vật liệu nghiên cứu toán giai đoạn đàn hồi Ngồi miền đàn hồi tốn nghiên cứu môn học khác lý thuyết dẻo 3.3 Giả thiết quan hệ bậc lực tác dụng biến dạng Khi lực tác dụng nằm giới hạn đàn hồi vật biến dạng vật có quan hệ bậc với lực tác dụng gây nên biến dạng * Thí nghiệm thử kéo vật liệu dẻo: Khi lực tác dụng cịn nằm giới hạn đàn hồi (0 ÷ Ptl)của vật liệu Biến dạng đoạn ON Trong P giới hạn ta thấy lực tăng nhanh biến dạng tăng chậm.Quan hệ lực biến dạng Pc B đường cong OA Do độ cong OA nhỏ nên Ptl A ta coi đường thẳng  Quan hệ lực biến dạng quan hệ bậc O N Δl Hình 1-4 Kết luận : Tất loại vật liệu đối tượng để nghiên cứu mơn sức bền phải thỏa mãn giả thiết 3.4 Nguyên lý độc lập tác dụng lực a) Nguyên lý: Tác dụng hệ lực lên vật tổng lực thành phần tác dụng lên vật Tức : Nếu hệ chịu tác dụng đồng thời nhiều yếu tố khảo sát hệ tác dụng yếu tố riêng rẽ cộng kết lại (hình1-5) Hình 1-5 b Ý nghĩa: Một toán phức tạp phân tích thành tốn đơn giản kết toán tổng toán đơn giản Nếu vật liệu làm việc miền đàn hồi ngun lý khơng áp dụng sai số âm Các yếu tố tác dụng lên bao gồm goại lực lẫn tác nhân khác nhiệt độ, áp suất, v.v NGOẠI LỰC –NỘI LỰC - ỨNG SUẤT – HỆ SỐ AN TOÀN 4.1 Ngoại lực 4.1.1 Định nghĩa Ngoại lực lực mô men lực từ vật thể khác từ môi trường xung quanh tác dụng lên vật thể khảo sát Ngoại lực có hai loại: Tải trọng(lực) tác dụng phản lực liên kết 4.1.2 Phân loại a.Phân loại ngoại lực: Định nghĩa: Là ngoại lực tác dụng lên vật thể mà điểm đặt, phương, chiều, trị số biết trước + Phân loại theo hình thức tác dụng: - Tải trọng tập trung: Là lực ngẫu lực tác dụng lên vật diện tích nhỏ, coi tác dụng điểm - Tải trọng phân bố: Tải trọng phân bố đường (Hình 1-5): q Tải trọng tác dụng lên vật thể theo đường Q = q l Trong : Q : Là độ lớn hệ lực phân bố 10