Bài thí nghiệm sức bền 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 tên: ………………………………… Lớp:………………………… Mã số SV:…………………………………… Ngày thí nghiệm:………………………………………… Lớp tín chỉ:……………………………………………… (Tài liệu lưu hành nội bộ, cấm chép) HÀ NỘI - 2013 BÀI XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU DẺO KHI KÉO I Mục đích thí nghiệm: Nghiên cứu trình kéo mẫu kim loại (Thép CT3) đến lúc đứt xác định đặc trưng học sau: Giới hạn chảy vật liệu Giới hạn bền Độ dãn tỷ đối đứt Độ thắt tỷ đối So sánh làm việc hai loại vật liệu dẻo dòn Bố trí thí nghiệm: Để dễ so sánh tính chất học loại vật liệu, người ta quy định hình dạng mẫu thí nghiệm có tiết diện trịn sau: Nếu đường kính d chiều dài mẫu thí nghiệm l0 = 10d (hay l0 = 5d) Để đo độ dãn mẫu đứt, người ta chia chiều dài thí nghiệm làm 10 khoảng (xem hình 1.1a) Thí nghiệm kéo thực máy kéo nén vạn năng, máy có đồng hồ lực kéo phận tự động vẽ biểu đồ Muốn kéo mẫu, ta phải đặt mẫu vào ngàm máy, cấu tạo ngàm hình 1.1b hay 1.1c Trong thí nghiệm thí nghiệm kéo với vật liệu dịn ( với mẫu gang) có tiết diện hình dáng Do đó, ta dễ dàng so sánh tính bền tính dẻo hai loại vật liệu dẻo dịn chịu kéo II Tiến hành thí nghiệm: a- Trình tự thí nghiệm kéo mẫu thép sau: 1 Đo kích thước tiết diện đo ba tiết diện, tiết diện ta đo theo hai chiều vng góc với Đo chiều dài thí nghiệm l0 Đặt mẫu vào ngàm máy kéo, điều chỉnh cho mẫu nằm vào ngàm, kiểm tra phận vẽ biểu đồ, đặt giấy vẽ biểu đồ Điều chỉnh kim lực số: “0” Cho máy chạy với tốc độ chậm, lúc đầu ngàm máy chưa ngàm chặt mẫu nên biên độ đường cong Khi ngàm chặt đường biểu diễn đường thẳng Kéo dài phần đường thẳng cho gặp trục ∆l giao điểm O gốc biểu đồ (hình 1.2) Nếu tiếp tục cho lực tăng tỷ lệ lực độ dãn bị lực đạt đến trị số tương ứng với giới hạn chảy Đối với thép non, biên độ thường đường gấp khúc hình 1.3 Khi kim chủ động đồng hồ lực dao động Điểm A hình 1.3 điểm tương ứng với giới hạn chảy trên, điểm B tương ứng với giới hạn chảy dưới, muốn đọc số ứng với giới hạn chảy dưới, ta đọc kim chủ động, kim vị trí lực nhỏ lúc dao động Ta cịn đo lực ứng với giới hạn chảy trên, ta đọc kim bị động kim vị trí lực lớn lúc dao động Hình 1.1 Ta cịn đo lực ứng với giới hạn chảy thước đo Hình 1.2 tỷ lệ máy cách đo tung độ điểm B biểu đồ Sau giới hạn chảy, lực tiếp tục tăng đến điểm C (trên biểu đồ kéo) lực giảm dần mẫu đứt Lực tương ứng với C cho ta xác định giới hạn bền Muốn đọc số ta đọc vị trí kim bị động đồng hồ lực hay đo thước tỷ lệ máy Sau có trị số lực tương ứng với giới hạn chảy bền ta tính giới hạn chảy bền theo cơng thức sau Giới hạn chảy: σC = Giới hạn bền: σ B = Pc F0 PB F0 Trong đó: F0 - diện tích ban đầu mẫu Trong q trình tăng lực ta quan sát tượng biến cứng nguội mẫu chịu kéo sau: Hình 1.3 Tăng lực lên q giới hạn chảy Ví dụ, tăng lực đến trị số PM (hình 1.3) ta giảm lực đi, bút vẽ biểu đồ chạy từ từ theo đường thẳng MN Như mẫu lại độ dãn dài dư ON Nếu bây giơ lại cho tăng lực từ từ lên, bút lại từ từ theo đường MN chạy lên tiếp tục tăng lực nữa, bút vạch nốt đoạn biểu đồ bỏ dở Ta nhận thấy với mẫu chịu kéo qua giới hạn chảy chịu kéo lại mẫu khơng cịn giai đoạn chảy Hiện tượng gọi tượng biến cứng nguội Bây ta xác định đặc trưng tính dẻo vật liệu Muốn xác định độ dãn tỷ đối mẫu, ta phải đo chiều dài sau kéo đứt l1 Ghép hai phần mẫu cắt với đo khoảng cách hai vạch khắc mẫu trước thí nghiệm Nhưng mẫu đứt ở vị trí khác, để so sánh độ dãi tỉ đối mẫu với nhau, người ta quy định lấy chỗ đứt nằm mẫu Do mẫu đứt khơng ta phải tính sau để chuyển chỗ đứt Giả thử chỗ đứt gần đầu phải, ta đếm phía đầu phải chỗ đứt khoảng 1,2,3 (hình 1.4) Về phía đầu trái ta lấy ba khoảng: 4,5,6 mẫu có 10 khoảng, nên coi chỗ đứt thi ta tưởng tượng phải có hai khoảng phía sau khoảng 1,2,3 có độ dãn dài tương tự khoảng 1’ 2’ (ở phía sau khoảng 4, 5, 6) Nếu ta gọi chiều dài khoảng 1, 2, 3, 4, 5, m chiều dài hai khoảng 1’ 2’ n chiều dài sau đứt: l Hình 1.5 Hình 1.4 Độ dãn tỉ đối tính theo cơng thức: δ = 1 −  × 100(%) 0 Muốn tính độ thắt tỷ đối, ta đo đường kính chỗ đứt d1 (hình 1.5) Độ thắt tỷ đối Ψ tính theo cơng thức: ψ = F0 − F1 × 100(%) F0 F1 diện tích cổ thắt (chỗ đứt) Ghi báo cáo quan sát thí nghiệm: Trong lúc thí nghiệm phải ý theo dõi đồng hồ đo lực biểu đồ kéo, ta thấy rõ làm việc mẫu giai đoạn Chú ý: Trong lúc thí nghiệm phải để tốc độ tăng lực chậm tính chất học vật liệu thay đổi theo tốc độ tăng lực tải trọng tải trọng tĩnh CÂU HỎI CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM 1) Trong thí nghiệm kéo thép phải tìm đặc trưng học phương pháp xác định đặc trưng đó? 2) Xác định chiều dài làm việc mẫu trước sau thí nghiệm nào? Tại phải làm vậy? 3) Thế biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo? Kết 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 thiết bị thí nghiệm: Máy thí nghiệm (tên máy): Vật liệu làm thí nghiệm: thép Kích thước mẫu Đường kính Chiều dài thí nghiệm Diện tích mặt cắt ngang Trước thí nghiệm Sau thí nghiệm d1 = l1 = F1 = d0 = l0 = F0 = Hình vẽ mẫu trước sau thí nghiệm: Biểu đồ kéo vật liệu dẻo (thép) Kết 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 THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DẺO I Mục đích thí nghiệm: Nghiên cứu tính chất học vật liệu dẻo chịu nén II Tiến hành thí nghiệm: Để đạt mục đích ta thí nghiệm với mẫu thép Mẫu thí nghiệm có hình trụ trịn, chiều cao h đường kính theo tỷ lệ h sau: l < < (chiều cao không lớn, để tránh tượng mẫu bị cong d uốn) Thí nghiệm thực máy nén hay máy vạn Thí nghiệm thực theo trình tự sau: 1) Đo kích thước mẫu thí nghiệm: đường kính, chiều cao 2) Đặt mẫu thí nghiệm lên mặt nén máy; điều chỉnh cho tâm mặt nén 3) Cho lực tăng từ từ, giai đoạn đầu, biểu đồ nén đoạn thẳng, chứng tỏ tải trọng biến dạng có liên hệ đường thẳng Sau biến dạng tăng nhanh, lực tăng chậm, biểu diễn chảy vật liệu Trước thí nghiệm Sau thí nghiệm Hình 2.2 Hình 2.1 Nếu tiếp tục tăng lực đường kính mẫu to dần chiều cao ngắn lại Mẫu có hình dạng trống (do có lực ma sát mặt nén mặt mẫu thí nghiệm, nên mặt cắt ngang mẫu mặt tiếp giáp khơng phình được) Sau đó, diện tích chịu nén tăng lên, nên độ dốc biểu đồ lớn dần (hình 2.1) Mẫu thí nghiệm có dạng hình 2.2, mẫu khơng bị phá hỏng có biến dạng lớn Qua thí nghiệm ta thấy tính chất điển hình vật liệu dẻo chịu nén Thí nghiệm xong quan sát dạng mẫu thí nghiệm vẽ vào báo cáo thí nghiệm CÂU HỎI CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM 1) Trong thí nghiệm nén thép phải tìm đặc trưng học gì? Phương pháp xác định? 2) Tại mẫu thép sau nén có hình dạng hình trống? 3) Tại người ta không xác định giới hạn bền thép nén? 4) So sánh giới hạn chảy nén với giới hạn chảy kéo (bài 1) nêu nhân xét kết Kết thí nghiệm ghi theo mẫu sau: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DẺO I Mục đích thí nghiệm: II Số liệu thiết bị thí nghiệm: Máy thí nghiệm: Vật liệu thí nghiệm: (số hiệu thép) Kích thước mẫu Trước thí nghiệm Đường kính: Diện tích: Chiều cao: Sau thí nghiệm Hình dạng mẫu trước sau thí nghiệm: Biểu đồ nén thép: Kết thí nghiệm: Lực tương ứng giới hạn chảy: Giới hạn chảy: Lực lúc dừng thí nghiệm: III Nhận xét tính chất vật liệu dẻo chịu nén Ngày thí nghiệm: BÀI THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DỊN I Mục đích thí nghiệm: Nghiên cứu tính chất học vật liệu dẻo dòn chịu nén II Tiến hành thí nghiệm: Để đạt mục đích ta thí nghiệm với mẫu gang Mẫu thí nghiệm có hình trụ trịn, chiều cao h đường kính theo tỷ lệ h sau: l < < (chiều cao không lớn, để tránh tượng mẫu bị cong d uốn) Thí nghiệm thực máy nén hay máy vạn Trình tự thí nghiệm mẫu gang giốn mẫu vật liệu dẻo Biểu đồ nén có dạng hình 3.1 Ban đầu biểu đồ đường thẳng, chứng tỏ biến dạng tải trọng có liên hệ tỷ lệ Sau đó, biểu đồ cong dần đột ngột ngắt mẫu thí nghiệm bị phá huỷ Lực nén giảm nhanh chóng mẫu khả chịu lực Hình 3.2 Hình 3.1 Mẫu nén thường vỡ theo đường chéo, góc nghiêng đường nứt với đường sinh mẫu thường 45-500, biến dạng cịn dư mẫu nhỏ (Hình 3.2) Trong thí nghiệm này, ta ghi trị số lực phá hỏng vẽ dạng phá hỏng mẫu gang báo cáo thí nghiệm 10 CÂU HỎI CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM 1) Trong thí nghiệm nén gang, phải tìm đặc trưng học gì? Phương pháp xác định? 2) Biểu đồ nén thép gang khác nào? 3) So sánh tính chất chịu kéo nén gang? Kết thí nghiệm ghi theo mẫu sau: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DỊN I Mục đích thí nghiệm: II Số liệu thiết bị thí nghiệm: Máy thí nghiệm: Vật liệu thí nghiệm: gang Đường kính mẫu: Diện tích mẫu: Hình vẽ mẫu trước sau thí nghiệm 11 Biểu đồ nén gang: Kết thí nghiệm: Lực phá hỏng: Giới hạn bền: III Nhận xét tính chất hai loại vật liệu chịu nén Ngày làm thí nghiệm 12 Bài XÁC ĐỊNH MƠĐUN ĐÀN HỒI CỦA VẬT LIỆU I/ Mục đích thí nghiệm : 1) Kiểm nghiệm định luật Húc, vật liệu tuân theo định luật Húc biến dạng phải tỷ lệ với lực ( kéo hay nén) 2) Xác định môđun đàn hồi thép 3) Biết phương pháp xác định môđun đàn hồi Đa số kim loại tuân theo định luật Húc Định luật Húc biểu diễn P. ∆ = (4.1) sau : 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 mơđun đàn hồi vật liệu, xác định theo P. E= (4.2) công thức sau : ∆.F Môđun đàn hồi E xác định, ta đo biến dạng ∆ II/ Bố trí thí nghiệm P P Ten-sơ-mét A Dao di động Ten-sơ-mét B Ten-sơ-mét P Mẫu thí nghiệm Dao cố định P Hình 4.1 Mẫu thí nghiệm có tiết diện chữ nhật ( xem hình 3.1) có đặt hai ten-sơ-met ( dụng cụ đo biến dạng) hai bên mẫu dọc theo trục Vì lực P khơng đặt vào trục mẫu thí nghiệm, nên cần đặt hai tensơ-met để đo độ dãn trung bình trục mẫu - Dụng cụ đo biến dạng ten-sơ-met Ai-stôp ( ten-sơ-met Ai-stôp) - Chuẩn đo ten-sơ-met l =100mm, độ dãn đo độ dãn chiều dài chuẩn đo l 13 1) Dụng cụ đo biến dạng thí nghiệm đo E ten-sơ-met, đòn, hay ten-sơ-mét điện 2) Ghi số hiệu dụng cụ đo, chuẩn đo hệ số khuếch đại dụng cụ đo 3) Cho lực tăng đến 200Kg Đọc số đo hai dụng cụ 4) Cho lực tăng tiếp tục đến giá trị : 400, 600, 800, 1000Kg Để bảo đảm ứng suất kéo mẫu không giới hạn tỷ lệ, ta tăng lực đến 1200Kg 5) Cho lực trở vế 200Kg, kiểm tra số gia số xem có khơng Nếu số gia khác xa, phải làm lại thí nghiệm Chú ý : Khi tăng lực phải chậm Phải ý đọc dụng cụ đo cho xác III/ Kết thí nghiệm Sau làm xong thí nghiệm, tính số gia sau lần tăng lực, từ số gia đó, tính số gia trung bình ∆A tb Biến dạng trung bình : ∆ltb = ∆Atb × K K giá trị vạch chia bảng chia cột, K = 1.10-3 Nếu diện tích mấu E, chuẩn đo ten-sơ-met l =100mm, lực lần tăng P, môđun đàn hỗi : E= Pl ∆ltb F (4.3) IV/ Câu hỏi chuẩn bị thí nghiệm 1) Ảnh hưởng môđun đàn hồi với biến dạng ? 2) Nếu vật liêu tuân theo định luật Húc kết thí nghiệm nào? Sự liên hệ tải trọng số đọc dụng cụ 3) Trình tự tiến hành thí nghiệm cách tính mơđun đàn hồi theo kết thí nghiệm? Kết thí nghiệm ghi theo mẫu sau : BÁO CÁO THÍ NGHIỆM I Mục đích thí nghiệm : II Số liệu thí nghiệm : a) Hình dáng mẫu thí nghiệm vị trí đặt dụng cụ đo : b) Kích thước mẫu : Bề rộng: Bề dày : Diện tích mặt cắt ngang : Máy thí nghiệm : ( tên máy) 14 Tên dụng cụ đo : Số liệu dụng cụ đo = ( chuẩn đo, hệ số khuếch đại) : III Kết thí nghiệm : Tải trọng TT Pi (N) Ten-sơ-mét A Hiệu số Số đọc đọc (khoảng ∆ A = vạch) Ai ( i A i − A i−1 ) Ten-sơ-mét B Hiệu số Số đọc đọc (khoảng ∆ B = vạch) Bi ( i Bi − Bi−1 ) Môđun đàn hồi: E = IV Nhận xét kết thí nghiệm : Ngày thí nghiệm : 15 BÀI XOẮN PHÁ HỎNG MẪU VẬT LIỆU DẺO VÀ DÒN I Mục đích thí nghiệm Nghiên cứu q trình phá hỏng vật liệu dẻo dịn, xác định tính chất học vật liệu xoắn Để thực mục đích đó, ta thí nghiệm với mẫu thép mẫu gang có mặt cắt ngang với kích thước Xác định giới hạn chảy bền mẫu thép, giới hạn bền mẫu gang So sánh tính dẻo hai loại vật liệu dựa vào góc xoắn tỷ đối I Trình tự thí nghi ệm Thí nghiệm tiến hành máy thí nghiệm xoắn K-50 Trước thí nghiệm, bề mặt mẫu ta dùng phấn kẻ đường dọc theo trục mẫu a) Với mẫu Thép: - Đo đường kính chiều dài mẫu kẹp mẫu vào ngàm máy, kiểm tra phận máy, kiểm tra xem phận đo góc xoắn chuyển “0” chưa? Kiểm tra phận vễ đồ thị - Sau ta bắt đầu tăng lực, giai đoạn đầu ta dùng tay tăng lực để thấy dõ tượng Ban đầu biều đồ cho ta đường thẳng, lúc mẫu biến dạng giới hạn đàn hồi, tiếp tục tăng lực, tới giới hạn chảy thấy đồ thị bắt đầu dạng đường cong, độ dốc đường cong phụ thuộc vào độ biến dạng dẻo vật liệu, biến dạng dẻo lớn đường cong có độ dốc nhỏ sau quan sát tượng ta bật môtơ điện đến mẫu bị phá hủy Tắt mơtơ điện ghi lại góc xoắn phá hỏng Hình 5.1 - Tại điểm bị đứt, không bị thắt kéo mẫu thép mà đứt nhẹ nhàng, mặt cắt vng góc với trục, biểu đồ bị dừng lại khơng có đoạn cong xuống bị kéo Các đường kẻ phấn ban đầu trở thành đường xoắn ốc 16 Mẫu thép bị phá hủy ứng suất tiếp Để tìm giới hạn chảy bền ta ghi lại trị số mômen lưc giai đoạn chảy phá hỏng Đối với vật liệu có tính dẻo cao, giai đoạn chảy thường đường gẫy khúc, nên giai đoạn chảy kim thị dao động, ta ý quan sát đọc trị số mômen nhỏ lúc kim đồng hồ dao động, trị số mơmen ứng với giai đoạn chảy Mômen xoắn phá hỏng trị số ứng với kim đồng hồ bị động sau mẫu đứt Giới hạn chảy thép tính theo cơng thức sau: τ0 = M ch Wp (5 1) Mch mô men xoắn ứng với giới hạn chảy Wp = pd 16 , d đường kính mẫu Tại thời điểm mẫu bị phá hỏng, mẫu biến dạng giai đoạn chảy dẻo Do ứng suất tiếp tính gần sau: τB = 3MB Wp (5 2) MB mô men xoắn ứng với giới hạn bền Góc xoắn tỷ đối tính theo cơng thức: θ= ϕ l (5.3) ϕ , l: góc xoắn đứt chiều dài mẫu b) Với mẫu gang: làm thí nghiệm tương tự Làm tương tự trên, đô thị mẫu gang kéo đường cong hình 5.3, phá hỏng mẫu gang xảy đột ngột có tiếng kêu, mẫu bị đứt theo đường góc Mẫu gang bị phá hủy ứng suất pháp Đường phấn cong chứng tỏ mẫu gang biến dạng dẻo nhỏ Trong thí nghiệm xoắn mẫu gang ta cần quan tâm tới trị số mômen gây phá hỏng MB Trị số đọc kim đồng hồ bị động mẫu đứt Giới hạn bền gang tính theo cơng thức (5.1) Góc xoắn tỷ đối tính theo cơng thức (5.3) 17 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM I Mục đích thí nghiệm II Số liệu thí nghiệm - Tên máy thí nghiệm : - Kích thước mặt cắt ngang : - Đường kính mẫu thép : - Đường kính mẫu gang: - Mơmen chống xoắn mẫu thép : - Mômen chống xoắn mẫu gang : III kết thí nghiệm - Mơmen xoắn chảy mẫu thép: - Mơmen phá hỏng mẫu thép: - Góc xoắn phá hỏng thép: - Giới hạn chảy thép: - Giới hạn bền thép: - Mômen phá hỏng mẫu gang: - Góc xoắn phá hỏng gang: - Giới hạn bền gang: 18 IV.Biểu đồ xoắn thép gang : V Dạng phá hỏng mẫu thép gang VI Nhận xét kết thí nghiệm tính chất vật liệu Ngày làm thí nghiệm 19 ... dẻo? Kết 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 thiết bị thí nghiệm: Máy thí nghiệm (tên máy): Vật liệu làm thí nghiệm: ... chịu kéo nén gang? Kết thí nghiệm ghi theo mẫu sau: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DỊN I Mục đích thí nghiệm: II Số liệu thiết bị thí nghiệm: Máy thí nghiệm: Vật liệu thí nghiệm: gang Đường kính... thí nghiệm: Lực tương ứng giới hạn chảy: Giới hạn chảy: Lực lúc dừng thí nghiệm: III Nhận xét tính chất vật liệu dẻo chịu nén Ngày thí nghiệm: BÀI THÍ NGHIỆM NÉN VẬT LIỆU DỊN I Mục đích thí nghiệm: