Bài giảng nhập môn kỹ thuật cơ khí chương 5 pgs ts bùi ngọc tuyên

Trang 2 NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍAN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING5.1.. Tổng quan- Ứng suất Stress- Sức bền vật liệu material strengthỨng suất > Sức bền vật liệu  Chi tiết bị phá

Chương 5 Vật liệu và ứng suất

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)5.1 Tổng quan

- Ứng suất (Stress)

- Sức bền vật liệu (material strength)

Ứng suất > Sức bền vật liệu  Chi tiết bị phá hủy

A broken crankshaft that was removed from a single-cylinder internal-combustion engine

overall program of study in mechanical engineering

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)5.2 Kéo và nén

- Kéo (tension) một thanh tròn đường kính d bởi một lực F:

-> biến dạng đàn hồi

-> biến dạng dẻo

-> phá hủy

Diện tích tiết diện t

A straight is stretched and placed in tension

>0

<0

Directions of tensile and compressive forces

 Biến dạng:

Biến dạng dài :ΔL

( a) A rod that has been stretched, (b) A section that is sliced from the rod to expose the internal force, (c) The tensile stress that is distributed over the rod's cross section.

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

 Đơn vị ứng suất:

 Trong hệ SI: đơn vị ứng suất 1 Pa = 1 N/m2

1 kPa = 103 Pa; 1 Mpa = 106 Pa; 1 Gpa = 109 Pa

 Trong hệ USCS: 1 psi = 1 lb/in2

1 ksi = 103 psi; 1 Mpsi = 106 psi;

( Conversion Factors between USCS and SI Units for Stress.

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

 Quan hệ biến dạng và ứng suất:

Idealized stress-strain curve for structural steel.

 Ứng suất và biến dạng tỷ lệ thuận với nhau trong vùng biến dạng đàn hồi:

E: Mô đun đàn hồi vật liệu (elastic modulus, or Young’s modulus)

Độ dãn dài vật liệu khi ứng suất dưới điểm giới hạn tỷ lệ (điểm A trên đồ thị):

Giới hạn chảy (Yield strength): Sy

Giới hạn bền (Ultimate strength): Su

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

 Thuộc tính của một số kim loại:

Elastic Modulus and Weight Density of Selected Metals*

Ultimate and Yield Strengths of Selected Metals*

VÍ DỤ

Example 1: U-Bolt Clamp

The U-bolt is used to attach the body (formed with I-beam construction) of acommercial moving van to its chassis (formed from hollow box channel) The U-bolt is made from a 10-mm-diameter rod, and the nuts on it are tightened until thetension in each straight section of the U-bolt is 4 kN (a) Show how forces aretransferred through this assembly by drawing free body diagrams of the U-bolt andits nuts, the body and chassis stack, and the clamping plate, (b) In the units of MPa,calculate the tensile stress in a straight section of the U-bolt

change in length, and (c) change in diameter of the bolt’s 325-mm-long straight

section Use the rule-of-thumb value E = 210 GPa for the elastic modulus, and take the Poisson’s ratio as v = 0.3

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)5.4 Trượt (Shear)

- Trượt  ứng suất hướng theo cùng mặt phẳng với mặt cắt ngang của thanh

- Ứng suất tiếp (ứng suất trượt):

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

VD: Hãy xác định ứng suất trượt tại chốt quay B của kéo theo đơn vị của hệ SI (Pa) Cho biết: chốt kéo có đường kính 8 mm, lực tác dụng tại chốt kéo là 385 N

Giải:

- Diện tích mặt cắt ngang của chốt: = ( , ) = 5,027 x 10-5 m2

- Ứng suất trượt: = = 5,027 x 10−5 m2 = 7,659 x 106 N/m2

= 7,659 x 106 Pa

5.5 Vật liệu kỹ thuật

a. Kim loại và hợp kim (Metals and Their Alloys)

 Đặc trưng bởi tính dẻo (ductility)

 Một số hợp kim thông dụng: hợp kim nhôm 3003, hợp kim đồng, thép (grade

1020, 4320,…), thép không gỉ (316, 440c, ), hợp kim titan

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)5.6 Hệ số an toàn

Hệ số an toàn (Factor of safety) được định nghĩa là tỷ số giữa ứng suất phá hủy vớiứng suất ở trạng thái làm việc bình thường của chi tiết máy

Hệ số an toàn khi kéo: ntension =

Giới hạn chảy cho kéo: Sy

Giới hạn chảy cho trượt: Ssy =

Hệ số an toàn khi trượt: nshear = 𝛕

VD: Một bánh răng trụ răng thẳng dùng truyền động được lắp trên trục đường kính 1inch với mối ghép then có chiều dài 1,75 inch và mặt cắt ngang 0,25 x 0,25 inch Thenđược làm bằng thép grade 1045 Khi bánh răng dẫn động bằng lực tác dụng trên răng là

1500 lb Hãy xác định ứng suất trượt tại then và hệ số an toàn chảy dẻo của then

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

:

= 0,4375 in2

Ứng suất trượt: = = 0,4375 in2 = 1,714 x 104 lb/in2

= 1,714 x 104 psi = (1,714 x 104 psi ) (10-3 )= 17,14 ksi

Giới hạn chảy khi kéo

Tổng kết chương:

Quantities, Symbols, and Units that Arise when Analyzing Stresses and Material Properties

NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)

Key Equations that Arise when Analyzing Materials and Stresses

1) Thanh kéo có ren và các bu lông gắn vào đế cố định được chịu lực căng dọc theo chiều dài của chúng Chốt bản lề của khớp chịu lực vuông góc với chiều dài của

nó và chịu lực cắt Xác định ứng suất trượt tác động trong chốt bản lề.

2) The threaded tod and the bolts attached to the fixed base are loaded along their length in tension The clevis joint’s hinge pin carries forces perpendicular to its length, and it is loaded in shear Determine the shear stress acting within the hinge pin.

BÀI TẬP

= 3,14 (3/16 in.) 2 = 0.1104 in 2

V=350 lb/2=175 lb

τ = = 0.1104 in175 lb 2 = 1.584 x 10 3 lb/in 2 = 1.584 x 10 3 psi

5-mm-diameter setscrew threads onto the gear’s hub, and it is received in a small hole that is machined in the shaft Determine the shear stress in the screw along the shear plane B-B

Một bánh răng trụ truyền mô-men xoắn 35 N.m tới trục truyền động đường kính

20 mm Dùng một vít đường kính 5 mm vặn vào lỗ ren trên cuống của bánh răng vào lỗ nhỏ gia công trên trục Xác định ứng suất trượt trong con vít theo mặt phẳng cắt B-B

BÀI TẬP

3) A - in -diameter bolt connects the marine propeller to a boat’s 1 -in driveshaft To protect the engine and transmission if the propeller accidentally strikes an underwater obstacle, the bolt is designed to be cut when the shear stress acting on it reaches 25 ksi Determine the contact force between the blade and obstacle that will cause the bolt to be sheared, assuming a 4-in effective radius between the point of contact on the blade and the center of the driveshaft.

Một bu lông có đường kính 3/8 inch ghép nối chân vịt với trục truyền động đường kính 1 1/4 –in của thuyền Để bảo vệ động cơ và bộ truyền động nếu chẳng may cánh quạt va phải chướng ngại vật dưới nước, bu lông được thiết kế bị cắt khi ứng suất trượt tác dụng lên nó đạt 25 ksi Xác định lực tiếp xúc của cánh chân vịt và vật cản làm cho bu lông bị cắt Giả sử bán kính hiệu dụng giữa điểm tiếp xúc trên cánh chân vịt đối với tâm trục truyền động là 4 in.

(a) By using either the vector algebra or polygon methods for finding a resultant, determine the magnitude of F that will cause the net effect of the three forces to act vertically.

(b) For that value of F, determine the stress in the bolt’s - in |-in,-diameter straight shank.

Xem hình P5.7

(a) Bằng cách sử dụng phương pháp đại số vectơ hoặc phương pháp đa giác để tìm lực tổng hợp,

và độ lớn của F Biết rằng lực tổng hợp của 3 lực này sẽ theo phương thẳng đứng.

(b) Với giá trị đó của F, hãy xác định ứng suất trong thân bu long đường kính 3/8 in.

5) Trong một xưởng cơ khí, lưỡi cưa vòng đang cắt qua một chi tiết gia công được chuyển động qua hai khối dẫn hướng B Lực căng P của lưỡi cưa nên được thiết lập

ở mức nào nếu ứng suất của nó là 5 ksi trong quá trình sử dụng? Bỏ qua kích thước nhỏ của răng so với chiều rộng của lưỡi cưa

BÀI TẬP

6) Một ống nhựa dẫn nước đã khử ion trong một phòng sạch vi điện tử, và một đầu của nó được bịt kín Áp suất nước là p0 = 50 psi, và nắp được gắn vào cuối ống bằng chất kết dính Xác định ứng suất trong lớp chất kết dính