Bài thí nghiệm sức bền vật liệu

Thí nghiệm kéo được thực hiện trên máy kéo nén vạn năng, trên máy này có đồng hồ chỉ lực kéo và bộ phận tự động vẽ biểu đồ.. Trong thí nghiệm này chúng ta sẽ thí nghiệm kéo với vật liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ MÔN SỨC BỀN VẬT LIỆU

BÀI THÍ NGHIỆM

SỨC BỀN VẬT LIỆU

TẬP I

Họ và tên: ………

Lớp:………

Mã số SV:………

Ngày thí nghiệm:………

Lớp tín chỉ:………

(Tài liệu lưu hành nội bộ, cấm sao chép)

BÀI 1

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU DẺO KHI KÉO

I Mục đích thí nghiệm:

Nghiên cứu quá trình kéo một mẫu kim loại (Thép CT3) đến lúc đứt

và xác định các đặc trưng cơ học sau:

1 Giới hạn chảy của vật liệu

2 Giới hạn bền

3 Độ dãn tỷ đối khi đứt

4 Độ thắt tỷ đối

So sánh sự làm việc của hai loại vật liệu dẻo và dòn

Bố trí thí nghiệm:

Để dễ so sánh tính chất cơ học của các loại vật liệu, người ta quy định hình dạng của các mẫu thí nghiệm có tiết diện tròn như sau: Nếu đường kính

là d thì chiều dài mẫu thí nghiệm l0= 10d (hay l0= 5d)

Để đo độ dãn của mẫu khi đứt, người ta chia chiều dài thí nghiệm làm

10 khoảng bằng nhau (xem hình 1.1a)

Thí nghiệm kéo được thực hiện trên máy kéo nén vạn năng, trên máy này có đồng hồ chỉ lực kéo và bộ phận tự động vẽ biểu đồ

Muốn kéo mẫu, ta phải đặt mẫu vào ngàm của máy, cấu tạo của ngàm

có thể như trên hình 1.1b hay 1.1c

Trong thí nghiệm này chúng ta sẽ thí nghiệm kéo với vật liệu dòn ( với một mẫu gang) có tiết diện và hình dáng như nhau Do đó, ta dễ dàng so sánh tính bền và tính dẻo của hai loại vật liệu dẻo và dòn khi chịu kéo

II Tiến hành thí nghiệm:

a- Trình tự thí nghiệm kéo mẫu thép như sau:

1 Đo kích thước tiết diện đo tại ba tiết diện, ở mỗi tiết diện ta đo theo hai chiều vuông góc với nhau Đo chiều dài thí nghiệm l0

2 Đặt mẫu vào ngàm của máy kéo, điều chỉnh cho mẫu nằm vào giữa ngàm, kiểm tra bộ phận vẽ biểu đồ, đặt giấy vẽ biểu đồ Điều chỉnh kim chỉ lực về số: “0”

3 Cho máy chạy với tốc độ

chậm, lúc đầu do ngàm của máy

chưa ngàm chặt mẫu nên biên độ

là đường cong Khi ngàm chặt rồi

thì đường biểu diễn là đường

thẳng Kéo dài phần đường thẳng

cho gặp trục l giao điểm O là ∆

gốc của biểu đồ (hình 1.2) Nếu

tiếp tục cho lực tăng thì tỷ lệ giữa

lực và độ dãn bị mất đi khi lực

đạt đến trị số tương ứng với giới

hạn chảy

Đối với thép non, biên độ

thường là đường gấp khúc như

hình 1.3 Khi đó kim chủ động

trên đồng hồ chỉ lực sẽ dao động

Điểm A trên hình 1.3 là

điểm tương ứng với giới hạn

chảy trên, điểm B tương ứng với

giới hạn chảy dưới, muốn đọc

được chỉ số ứng với giới hạn

chảy dưới, ta đọc kim chủ động,

khi kim này ở vị trí lực nhỏ nhất

trong lúc dao động Ta còn có thể

đo lực ứng với giới hạn chảy

trên, ta đọc kim bị động khi kim

này ở vị trí lực lớn nhất trong lúc

dao động

Ta còn có thể đo lực ứng

Hình 1.1

Hình 1.2

tỷ lệ của máy bằng cách đo tung độ của điểm B trên biểu đồ

Sau khi quá giới hạn chảy lực tiếp tục tăng đến điểm C (trên biểu đồ , kéo) thì lực giảm dần và mẫu đứt Lực tương ứng với C cho ta xác định giới hạn bền Muốn đọc chỉ số này ta đọc vị trí của kim bị động trên đồng hồ chỉ lực hay đo bằng thước tỷ lệ của máy

Sau khi có trị số lực tương ứng với giới hạn chảy và bền ta tính được giới hạn chảy và bền theo công thức sau

Giới hạn chảy: c

C 0

P F

σ =

B 0

P F

Trong đó: F0 - diện tích

ban đầu của mẫu

Trong quá trình tăng lực ta

có thể quan sát được hiện tượng

biến cứng nguội khi mẫu đã chịu

kéo như sau:

Tăng lực lên quá giới hạn chảy Ví dụ, tăng lực đến một trị số PM nào đó (hình 1.3) đột nhiên ta giảm lực đi, như vậy bút vẽ biểu đồ sẽ chạy về từ từ theo đường thẳng MN Như vậy trên mẫu sẽ còn lại một độ dãn dài còn dư ON Nếu bây giơ chúng ta lại cho tăng lực từ từ lên, bút sẽ lại từ từ theo đường MN chạy lên và nếu tiếp tục tăng lực nữa, bút sẽ vạch nốt đoạn biểu

đồ đang bỏ dở Ta nhận thấy rằng với một mẫu đã chịu kéo qua giới hạn chảy nếu chịu kéo lại mẫu không còn giai đoạn chảy nữa Hiện tượng đó gọi

là hiện tượng biến cứng nguội

Bây giờ ta xác định các đặc trưng tính dẻo của vật liệu Muốn xác định độ dãn tỷ đối mẫu, ta phải đo được chiều dài sau khi kéo đứt l1 Ghép hai phần của mẫu khi cắt với nhau và đo khoảng cách giữa hai vạch ngoài cùng đã được khắc trên mẫu trước khi thí nghiệm Nhưng vì mẫu có thể đứt

ở giữa hoặc ở các vị trí khác, để có thể so sánh độ dãi tỉ đối giữa các mẫu với nhau, nếu người ta quy định lấy chỗ đứt nằm giữa mẫu Do đó khi mẫu đứt không đúng giữa thì ta phải tính như sau để chuyển chỗ đứt về đúng

Hình 1.3

giữa Giả thử chỗ đứt ở gần đầu phải, ta đếm về phía đầu phải bắt đầu từ chỗ đứt các khoảng 1,2,3 (hình 1.4) Về phía đầu trái ta cũng lấy ba khoảng: 4,5,6 vì mẫu có 10 khoảng, nên nếu coi chỗ đứt ở giữa thi ta tưởng tượng phải có hai khoảng phía sau khoảng 1,2,3 có độ dãn dài tương tự như khoảng 1’ và 2’ (ở phía sau khoảng 4, 5, 6) Nếu ta gọi chiều dài của các khoảng 1, 2, 3, 4, 5, 6 là m và chiều dài của hai khoảng 1’ và 2’ là n thì chiều dài sau khi đứt:

l

Độ dãn tỉ đối tính theo công thức: 1 0

0

100(%)

−

δ =  ×

Muốn tính độ thắt tỷ đối, ta đo đường kính ở chỗ đứt d1 (hình 1.5)

Độ thắt tỷ đối tính theo công thức:Ψ 0 1

0

100(%) F

−

trong đó F1 là diện tích ở cổ thắt (chỗ đứt)

Ghi báo cáo và quan sát thí nghiệm:

Trong lúc thí nghiệm phải chú ý theo dõi đồng h đo lực và biểu đồ ồ kéo, ta sẽ thấy rõ sự làm việc của mẫu trong từng giai đoạn

Chú ý: Trong lúc thí nghiệm phải để tốc độ tăng lực chậm vì tính chất

cơ học của vật liệu thay đổi theo tốc độ tăng lực và tải trọng là tải trọng tĩnh

CÂU HỎI CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM

1) Trong thí nghiệm kéo thép phải tìm những đặc trưng cơ học gì và phương pháp xác định những đặc trưng đó?

Hình 1.5 Hình 1.4

2) Xác định chiều dài làm việc của mẫu trước và sau khi thí nghiệm như thế nào? Tại sao phải làm như vậy?

3) Thế nào là biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo?

Kết quả thí nghiệm kéo ghi theo mẫu báo cáo sau đây:

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM KÉO VẬT LIỆU DẺO

I Mục đích thí nghiệm:

II Số liệu và thiết bị thí nghiệm:

Máy thí nghiệm (tên máy):

Vật liệu làm thí nghiệm: thép

Đường kính

Chiều dài thí nghiệm

Diện tích mặt cắt ngang

d0 =

l0 =

F0 =

d1 =

l1 =

F1 =

Hình vẽ của mẫu trước và sau thí nghiệm:

Biểu đồkéo của vật liệu dẻo (thép)

Kết quả thí nghiệm:

Lực tương ứng giới hạn chảy: Pc =

Lực tương ứng giới hạn bền: Pb =

Giới hạn chảy: σc =

Giới hạn bền: σb =

Độ dãn tỷ đối (%):

Độ thắt tỷ đối (%):

Ngày thí nghiệm:

BÀI 2

THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DẺO

I Mục đích thí nghiệm:

Nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu dẻo chịu nén

II Tiến hành thí nghiệm:

Để đạt được mục đích trên ta thí nghiệm với một mẫu thép

Mẫu thí nghiệm có hình trụ tròn, chiều cao h và đường kính theo tỷ lệ sau: l h 2

d

< < (chiều cao không quá lớn, để tránh hiện tượng mẫu bị cong do uốn)

Thí nghiệm thực hiện trên máy nén hay máy vạn năng

Thí nghiệm thực hiện theo trình tự sau:

1) Đo kích thước của mẫu thí nghiệm: đường kính, chiều cao

2) Đặt mẫu thí nghiệm lên mặt nén của máy; và điều chỉnh cho đúng tâm của mặt nén

3) Cho lực tăng từ từ, giai đoạn đầu, biểu đồ nén là đoạn thẳng, chứng

tỏ tải trọng và biến dạng có liên hệ đường thẳng

Sau đó biến dạng tăng nhanh, trong khi lực tăng rất chậm, biểu diễn sự chảy của vật liệu

Nếu tiếp tục tăng lực thì đường kính của mẫu to dần và chiều cao ngắn lại Mẫu có hình dạng cái trống (do có lực ma sát giữa mặt nén và mặt mẫu thí nghiệm, nên mặt cắt ngang của mẫu ở mặt tiếp giáp không phình ra được)

Sau đó, vì diện tích chịu nén tăng lên, nên độ dốc của biểu đồ lớn dần (hình 2.1) Mẫu thí nghiệm có dạng như hình 2.2, mẫu không bị phá hỏng

Hình 2.1

Trước thí nghiệm Sau thí nghiệm

Hình 2.2

tuy có biến dạng khá lớn Qua thí nghiệm này ta thấy được tính chất điển hình của vật liệu dẻo khi chịu nén

Thí nghiệm xong quan sát dạng của mẫu thí nghiệm và vẽ vào báo cáo thí nghiệm

CÂU HỎI CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM

1) Trong thí nghiệm nén thép phải tìm những đặc trưng cơ học gì? Phương pháp xác định?

2) Tại sao mẫu thép sau khi nén có hình dạng hình trống?

3) Tại sao người ta không xác định giới hạn bền của thép khi nén? 4) So sánh giới hạn chảy khi nén với giới hạn chảy khi kéo (bài 1) và nêu nhân xét về 2 kết quả

Kết quả thí nghiệm ghi theo mẫu sau:

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DẺO

I Mục đích thí nghiệm:

II Số liệu và thiết bị thí nghiệm:

Máy thí nghiệm:

Vật liệu thí nghiệm: (số hiệu thép)

Đường kính:

Diện tích:

Chiều cao:

Hình dạng mẫu trước và sau thí nghiệm:

Biểu đồ nén thép:

Kết quả thí nghiệm:

Lực tương ứng giới hạn chảy:

Giới hạn chảy:

Lực lúc dừng thí nghiệm:

III Nhận xét về tính chất của vật liệu dẻo khi chịu nén

Ngày thí nghiệm:

BÀI 3

THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DÒN

I Mục đích thí nghiệm:

Nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu dẻo và dòn khi chịu nén

II Tiến hành thí nghiệm:

Để đạt được mục đích trên ta thí nghiệm với một mẫu gang

Mẫu thí nghiệm có hình trụ tròn, chiều cao h và đường kính theo tỷ lệ sau:l h 2

d

< < (chiều cao không quá lớn, để tránh hiện tượng mẫu bị cong do uốn)

Thí nghiệm thực hiện trên máy nén hay máy vạn năng

Trình tự thí nghiệm mẫu gang cũng giốn như đối với mẫu vật liệu dẻo Biểu đồ nén có dạng như hình 3.1 Ban đầu biểu đồ là đường thẳng, chứng

tỏ giữa biến dạng và tải trọng có liên hệ tỷ lệ Sau đó, biểu đồ cong dần và đột ngột ngắt do mẫu thí nghiệm bị phá huỷ Lực nén giảm đi nhanh chóng

do mẫu đã mất khả năng chịu lực

Mẫu nén thường vỡ theo đường chéo, góc nghiêng của đường nứt với đường sinh của mẫu thường là 45-500, khi đó biến dạng còn dư của mẫu rất nhỏ (Hình 3.2)

Trong thí nghiệm này, ta ghi trị số của lực phá hỏng và vẽ dạng phá hỏng của mẫu gang và báo cáo thí nghiệm

CÂU HỎI CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM

1) Trong thí nghiệm nén gang, phải tìm những đặc trưng cơ học gì? Phương pháp xác định?

2) Biểu đồ nén thép và gang khác nhau thế nào?

3) So sánh tính chất chịu kéo và nén của gang?

Kết quả thí nghiệm ghi theo mẫu sau:

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DÒN

I Mục đích thí nghiệm:

II Số liệu và thiết bị thí nghiệm:

Máy thí nghiệm:

Vật liệu thí nghiệm: gang

Đường kính mẫu:

Diện tích mẫu:

Hình vẽ của mẫu trước và sau thí nghiệm

Biểu đồ nén gang:

Kết quả thí nghiệm:

Lực phá hỏng:

Giới hạn bền:

III Nhận xét về tính chất của hai loại vật liệu khi chịu nén

Ngày làm thí nghiệm

Bài 4

XÁC ĐỊNH MÔĐUN ĐÀN HỒI CỦA VẬT LIỆU

I/ Mục đích thí nghiệm :

1) Kiểm nghiệm định luật Húc, nếu vật liệu tuân theo định luật Húc thì biến dạng phải tỷ lệ với lực ( kéo hay nén)

2) Xác định môđun đàn hồi của thép

3) Biết phương pháp xác định môđun đàn hồi

Đa số kim loại tuân theo định luật Húc Định luật Húc có thể biểu diễn như sau : P.

E.F

Nghĩa là, độ dãn ∆ (hay độ co) tỷ lệ với lực kéo P ( hay nén), tỷ lệ với chiều dài  tỷ lệ với diện tích E F là môđun đàn hồi của vật liệu, có thể xác định theo công thức sau : E P.

.F

=

∆



Môđun đàn hồi E sẽ được xác định, nếu ta đo được biến dạng ∆

II/ Bố trí thí nghiệm

Hình 4.1 Mẫu thí nghiệm là một thanh có tiết diện chữ nhật ( xem hình 3.1) có đặt hai ten- -sơ met ( dụng cụ đo biến dạng) ở hai bên của mẫu và dọc theo trục thanh Vì lực P có thể không đặt đúng vào trục của mẫu thí nghiệm, nên cần đặt hai ten-sơ-met như trên để đo độ dãn trung bình trên trục mẫu

- Dụng cụ đo biến dạng là ten-sơ-met Ai stôp ( bài ten-sơ met Ai stôp)

Chuẩn đo của ten sơ met l =100mm, độ dãn đo được là độ dãn trên chiều dài của chuẩn đo l

Ten-sơ mét B

-Mẫu thí nghiệm

P

P

P

Ten-sơ mét A - Dao di động

Dao cố định

P Ten-sơ-mét

1) Dụng cụ đo biến dạng trong thí nghiệm đo E có thể là ten-sơ-met, đòn, hay

ten- -sơ mét điện

2) Ghi số hiệu của dụng cụ đo, chuẩn đo và hệ số khuếch đại của dụng cụ đo 3) Cho lực tăng đến 200Kg Đọc số đo đầu tiên trên hai dụng cụ

4) Cho lực tăng tiếp tục đến các giá trị : 400, 600, 800, 1000Kg

Để bảo đảm ứng suất kéo của mẫu không quá giới hạn tỷ lệ, ta chỉ tăng lực đến 1200Kg

5) Cho lực trở vế 200Kg, kiểm tra số gia của số đó xem có đều không Nếu số gia khác nhau xa, phải làm lại thí nghiệm

Chú ý : Khi tăng lực phải chậm và đều

Phải chú ý đọc dụng cụ đo cho chính xác

III/ Kết quả thí nghiệm

Sau khi làm xong thí nghiệm, tính số gia sau mỗi lần tăng lực, từ các số gia

đó, tính số gia trung bình ∆Atb

Biến dạng trung bình sẽ là : ∆l tb= ∆A tb×K

K giá trị của vạch chia trên bảng chia cột, K = 1.10-3

Nếu diện tích của mấu là , chuẩn đo của tenE -sơ-met là l =100mm, lực

trong mỗi lần tăng , môđun đàn hỗi sẽ là :P

F l

Pl E tb

∆

= (4.3) IV/ Câu hỏi chuẩn bị thí nghiệm

1) Ảnh hưởng của môđun đàn hồi với biến dạng như thế nào ?

2) Nếu vật liêu tuân theo định luật Húc thì kết quả thí nghiệm sẽ như thế nào?

Sự liên hệ giữa tải trọng và số đọc của dụng cụ như thế nào

3) Trình tự tiến hành thí nghiệm và cách tính môđun đàn hồi theo kết quả thí nghiệm?

Kết quả thí nghiệm ghi theo mẫu sau đây :

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

I Mục đích thí nghiệm :

II Số liệu thí nghiệm :

a) Hình dáng mẫu thí nghiệm và vị trí đặt dụng cụ đo :

b) Kích thước mẫu :

Bề rộng:

Bề dày :

Diện tích mặt cắt ngang :

Tên dụng cụ đo :

Số liệu của dụng cụ đo = ( chuẩn đo, hệ số khuếch đại) :

III Kết quả thí nghiệm :

TT Tải trọng

i

P (N)

-Số đọc (khoảng và vạch) A i

Hiệu các số đọc

(∆ A i = A i − A i 1−)

Số đọc (khoảng và

vạch) B i

Hiệu các số đọc

(∆ B i = B i − B i 1− )

1

2

3

4

5

6

7

Môđun đàn hồi: E =

IV Nhận xét kết quả thí nghiệm :

Ngày thí nghiệm :

BÀI 5

XOẮN PHÁ HỎNG MẪU VẬT LIỆU DẺO VÀ DÒN

I Mục đích thí nghiệm

Nghiên cứu quá trình phá hỏng của vật liệu dẻo và dòn, xác định tính chất cơ học của vật liệu khi xoắn

Để thực hiện mục đích đó, ta thí nghiệm với một mẫu thép và một mẫu gang có cùng mặt cắt ngang với kích thước như nhau

Xác định giới hạn chảy và bền của mẫu thép, giới hạn bền của mẫu gang So sánh tính dẻo của hai loại vật liệu dựa vào góc xoắn tỷ đối

I Trình t thí nghi ự ệm

Thí nghiệm tiến hành trên máy thí nghiệm xoắn K 50 Trước khi thí nghiệm, -trên bề mặt của mỗi mẫu ta dùng phấn kẻ đường dọc theo trục của mẫu a) Với mẫu Thép:

- Đo đường kính và chiều dài của mẫu rồi kẹp mẫu vào ngàm của máy, kiểm tra các bộ phận của máy, kiểm tra xem bộ phận đo góc xoắn đã chuyển về

“0” chưa? Kiểm tra bộ phận vễ đồ thị

- Sau đó ta bắt đầu tăng lực, giai đoạn đầu ta dùng tay tăng lực để thấy dõ hiện tượng Ban đầu trên biều đồ cho ta là đường thẳng, lúc này mẫu đang biến dạng trong giới hạn đàn hồi, tiếp tục tăng lực, tới giới hạn chảy sẽ thấy

đồ thị bắt đầu dạng đường cong, độ dốc của đường cong phụ thuộc vào độ biến dạng dẻo của vật liệu, biến dạng dẻo các lớn thì đường cong có độ dốc càng nhỏ sau khi quan sát hiện tượng trên ta bật môtơ điện đến khi mẫu bị phá hủy Tắt môtơ điện và ghi lại góc xoắn phá hỏng

- Tại điểm bị đứt, không bị thắt như kéo mẫu thép mà đứt nhẹ nhàng, mặt cắt vuông góc với trục, biểu đồ bị dừng lại và không có đoạn cong xuống như bị kéo Các đường kẻ bằng phấn ban đầu trở thành các đường xoắn ốc

Hình 5.1