BÀI GIẢNG THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU

Do đó khi sử dụng đến vật liệu, như khi kiểm tra, khi thiết kế hay khi xác định tải trọng cho phép tác động lên vật liệu, thì thực nghiệm sẽ cho biết trước những số liệu cơ bản về cơ tí

BÀI GIẢNG

THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU

06- 2008

3 Xác định Mô-đun đàn hồi E của vật liệu

4 Xác định chuyển vị thẳng đứng của bản phẳng chiụ uốn 16

5 Xác định Mô-đun đàn hồi E và mô-đun đàn hồi trượt G

của vật liệu trục chiụ uốn xoắn đồng thời 19

PHẦN I NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG

1 TỔNG QUAN

Trong cơ học, đối tượng nghiên cứu là vật rắn thực, dưới tác dụng của môi trường bên ngoài (ngoại lực, nhiệt độ,…) vật thể sẽ bị biến dạng Để xác định những tính chất cơ học và độ biến dạng của vật thể, cần phải tiến hành những thí nghiệm Mặt khác kết quả thí nghiệm này còn dùng để kiểm chứng công thức lý thuyết đã được xây dựng Trong chương trình thực nghiệm, sẽ nghiên cứu các dạng chịu lực như kéo nén đúng tâm, uốn, xoắn, cắt mà giả

thuyết cơ bản trong lý thuyết là tính liên tục, đồng nhất, đẳng hướng và phạm vi khảo sát là vật liệu làm việc trong miền giới hạn đàn hồi Tuy nhiên, mỗi loại vật liệu đều có cơ tính khác nhau, đặc trưng cho từng loại vật liệu ấy, trong đó tính chịu lực (độ bền của vật liệu) và

tính biến dạng (dẻo, dai ) là các đặc trưng cơ bản của vật liệu Do đó khi sử dụng đến vật

liệu, như khi kiểm tra, khi thiết kế hay khi xác định tải trọng cho phép tác động lên vật liệu, thì thực nghiệm sẽ cho biết trước những số liệu cơ bản về cơ tính của vật liệu để từ đó có thể chủ động trong việc nghiên cứu tính toán – thiết kế

Ngoài ra, tính toán còn dựa trên những giả thiết gần đúng về sự biến dạng của vật thể dẫn đến kết quả tính toán cũng gần đúng Để đánh giá mức độ đáng tin cậy của lý thuyết, người ta dựa vào kết quả đo lường về ứng suất và biến dạng (nội lực và chuyển vị) trên các vật thể ở trạng thái chịu lực rồi so sánh với kết quả lý thuyết Nếu sự chênh lệch không quá giới hạn cho phép thì kết quả có thể chấp nhận được và lý thuyết tính toán cũng chấp nhận được

Trong điều kiện làm việc thực tế, các công trình hay chi tiết máy còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của chúng như chế độ thi công, chế độ tác dụng của lực , nên người ta đo ứng suất và biến dạng (nội lực và chuyển vị) của công trình hay máy móc ở điều kiện làm việc thực của nó hoặc trong mô hình thu gọn Những thí nghiệm kiểm tra lý thuyết tính toán hay kiểm tra sự làm việc của công trình gọi là những thí nghiệm kiểm tra hay thí nghiệm công trình

Như vậy các bài thí nghiệm sẽ thuộc một trong hai nhóm: nhóm tìm đặc trưng cơ tính gồm kéo, nén, xoắn và nhóm kiểm tra công thức như tính chuyển vị, tính ứng suất trong thanh với các dạng chịu lực khác nhau

1 DỤNG CỤ ĐO

I Chuyển vị kế (đồng hồ so)

Đồng hồ so được dùng nhiều trong việc kiểm tra sai lệch hình dáng hình học của chi tiết gia công như độ côn, độ cong đồng thời có thể kiểm tra vị trí tương đối giữa các chi tiết lắp ghép với nhau hoặc xác định chuyển vị tại một điểm nào đó thuộc vật thể chịu các tác động bên ngoài (lực, nhiệt độ ) gây biến dạng

Cấu tạo đồng hồ so:

Đồng hồ so được cấu tạo gồm trục di động 1 được gắn liền với

cơ cấu thanh răng và bánh răng nằm bên trong đồng hồ so Khi trục

1 di động, thanh răng chuyển động tịnh tiến làm cho bánh răng

quay, dẫn đến kim đồng hồ được gắn trên bánh răng cũng quay

theo Các chi tiết được đặt trong vỏ 2

Mặt đồng hồ thường chia làm 100 vạch cách đều nhau, với các

đồng hồ so thường, giá trị mỗi vạch bằng 0,01mm - nghĩa là khi

thanh đo trượt lên xuống một đoạn 0,01mm thì kim lớùn quay đi một

vạch Khi kim lớn quay hết một vòng (100 vạch) thì thang đo di

chuyển một đoạn bằng 0,01mm x 100 vạch = 1mm, lúc đó kim nhỏ

trên mặt đồng hồ quay đi một khấc Vậy giá trị mỗi khấc trên mặt

số nhỏ là 1mm

Khi nguyên nhân làm cho trục di động 1 mất đi thì trục 1 tự

động trở về vị trí ban đầu nhờ một lò xo gắn liền trục với vỏ

Chú ý khi sử dụng:

- Khi sử dụng đồng hồ so, trước hết gá đồng hồ lên giá đỡ, để đo chuyển vị thẳng tại điểm nào đó và theo phương nào đó, ta phải đặt đồng hồ so sao cho đầu dưới của trục 1 tỳ đúng vào điểm cần đo và phương của trục phải trùng với phương đo độ dịch chuyển

- Đồng hồ so là loại dụng cụ đo có độ chính xác cao, vì vậy trong quá trình sử dụng cần hết sức nhẹ nhàng, tránh va đập Không nên dùng tay ấn vào đầu đo làm thanh đo di chuyển chuyển mạnh Đồng hồ so phải luôn được gá ở trên giá đỡ, khi sử dụng xong phải đặt đồng hồ vào đúng vị trí ở trong hộp Không để đồng hồ ở chỗ ẩm Không nên tháo các nắp của đồng hồ so ra

II Panme

Panme là loại dụng cụ đo chính xác 0,01mm Có nhiều loại Panme: Đo ngoài, đo trong,

đo sâu, đo ren Tất cả đều dựa trên nguyên tắc chuyển động của vít và đai ốc, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến đi lại của đầu đo Nếu vít có bước ren là S thì khi vít quay n vòng, đầu đo sẽ đi được một đoạn L= n.S mm Nguyên lý này cũng được ứng dụng nhiều trong các dụng cụ đo và máy đo khác

Pame được để đo các kích thước dài, rộng, độ dầy, đường kính ngoài các chi tiết

Cấu tạo panme:

Thân 1 trên đó có ghép chặt đầu đo cố định số 2 và ống 4 Ống 5 mang đầu đo động 3 chuyển động tương đối với ống 4 nhờ khớp ren vít

- 3 -

1

Trên ống 4 chia khấc 1mm và 0,5mm, trên mặt côn của ống 5 được chia ra 50 vạch, bước ren vít là 0,5mm Vì vậy, khi ống 5 quay đi một vạch (quay 1/50 vòng) thì sẽ tịnh tiến được một đoạn L = 0,5 x1/50 = 0,01mm, hay giá trị mỗi vạch trên mặt côn của ống 5 là 0,01mm Dựa vào mép ống động 5, đọc được số milimét và nửa milimét ở trên ống cố định số 4 Dựa vào vạch chuẩn trên ống cố định số 4, đọc được số phần trăm milimét ở trên mặt côn của ống động số 5

Thí dụ: Đọc trị số đo trên panme như ở hình vẽ

35

Theo mép ống 5 ta đọc được 8,5mm trên ống 4 Theo vạch chuẩn trên ống 4, ta đọc được 0,32mm ở trên mặt côn của ống 5 Như vậy trị số đo được là: 8,5 + 0,32 = 8,82mm

Chú ý khi sử dụng:

- Trước khi đo, phải kiểm tra xem panme có chính xác không, kiểm tra độ phẳng và độ song song của hai mặt đo trên các đầu đo Panme chính xác khi hai mỏ tiếp xúc đều và khít với nhau thì vạch "0" trên mặt côn của ống 5 thẳng hàng với vạch chuẩn trên ống 4, vạch

"0" trên ống 4 trùng với mép ống 5 (đối với loại panme 0 - 25 mm)

- Không được dùng panme đo khi vật đang quay, không đo các vật thô, bẩn Không vặn trực tiếp ống 5 để đầu đo ép vào vật đo sẽ làm hỏng khớp ren vít Khi hai đầu đo vừa tiếp xúc với vật đo, cần vặn núm 6, giữa núm 6 và ống 5 được liên kết bằng ly hợp vấu một chiều

- Các mặt đo của thước cần phải giữ gìn cẩn thận, tránh để rỉ sét và bị bụi cát hoặc phoi kim loại mài mòn Cần tránh những va chạm làm sây sát hoặc biến dạng đầu đo Trước khi đo phải lau sạch mặt đo của panme và vật đo

III Thước cặp.

Là loại thước được sử dụng phổ biến trong các phân xưởng, nhà máy, phòng thí nghiệm Thước cặp có thể đo trực tiếp đường kính ngoài, đường kính trong, chiều dài, chiều rộng, chiều cao, chiều sâu , phạm vi đo của thước rất rộng

Thước cặp 1/10 đo chính xác được 0,1mm nên thường dùng để đo những kích thước chính xác thấp Thước cặp1/20 và 1/50 đo chính xác được 0,05mm và 0,02mm nên thường dùng để

đo những kích thước tương đối chính xác

Cấu tạo thước cặp:

Từ biểu thức trên ta có:

2.a.n – b.n = a ⇒ 2.a - b = a/n Tỷ số a/n là giá trị của mỗi vạch trên du tiêu hay gọi là giá trị của thước

Dựa trên nguyên lý, người ta chế tạo du tiêu của các thước cặp như sau:

Khoảng cách giữa hai vạch trên thước chính a = 1mm

Thước cặp 1/10: Du tiêu chia n = 10 nên a/n = 1/10 = 0,1mm tức là giá trị của thước là 0,1mm

Thước cặp 1/20: Du tiêu chia n = 20 nên a/n = 1/20 = 0,05mm tức là giá trị của thước là 0,05mm

Thước cặp 1/50: Du tiêu chia n = 50 nên a/n = 1/50 = 0,02mm nên giá trị của thước là 0,02mm

Ở thước cặp 1/10 lấy 19mm chia du tiêu ra 10 khoảng và thước cặp 1/20 lấy 39mm chia

du tiêu ra làm 20 khoảng

- 5 -

Cách đọc trị số đo trên thước cặp:

Khi đo, xem vạch "0" của du tiêu ở vị trí nào của thước chính, ta đọc phần nguyên của kích thước ở trên thước chính

Xem vạch nào của du tiêu trùng với vạch của thước chính, ta đọc phần lẻ của kích thước theo vạch đó của du tiêu (tại vị trí trùng nhau)

Kích thước đo được xác định theo biểu thức sau:

L = m + k.a/n

m: Số vạch của thước chính nằm phía trái vạch số " 0 " của du tiêu

k: là vạch của du tiêu trùng với vạch của thước chính

a/n: là giá trị của thước

Chú ý khi sử dụng:

- Trước khi đo cần kiểm tra xem thước có chính xác không Thước chính xác khi hai mỏ khít vào nhau thì vạch " 0 " của du tiêu trùng với vạch " 0 " của thước chính và vạch cuối cùng trên du tiêu phải trùng với vạch tương ứng trên thước chính, nghĩa là đối với thước cặp độ chính xác 1/10mm – vạch tương ứng là 19, thước cặp độ chính xác 1/20mm – vạch tương ứng là 39

- Khi đo, cần giữ cho mặt phẳng của thước song song với kích thước cần đo, đẩy nhẹ khung trượt 2 sao cho hai mỏ đo tiếp xúc với vật đo, có thể vặn vít 3 để khung trượt 2 được giữ cố định trên thân thước 1

- Không được dùng thước để đo vật đang quay, không đo các mặt thô, bẩn Không ép mạnh hai mỏ đo vào vật đo, làm như vậy kích thước đo được không chính xác và thước bị biến dạng

- Thước đo xong phải đặt đúng vị trí ở trong hộp, không đặt thước chồng lên các dụng cụ khác hoặc đặt các dụng cụ khác lên thước

PHẦN II: THÍ NGHIỆM

1.1 Mục đích thí nghiệm.

Tìm sự liên hệ giữa lực và biến dạng của vật liệu khi kéo mẫu, từ đó xác định đặc trưng cơ tính của vật liệu bao gồm:

- Giới hạn chảy σch

- Giới hạn bền σb

- Độ dãn dài tương đối khi đứt δ%

- Độ thắt tương đối ψ%

1.2 Cơ sở lý thuyết.

Thanh chịu kéo hay nén đúng tâm là thanh mà trên mọi mặt cắt ngang chỉ có một thành phần lực dọc Nz

Các giả thuyết làm cơ sở tính toán cho thanh chịu kéo hay nén đúng tâm:

- Giả thuyết mặt cắt ngang: Mặt cắt ngang ban đầu là phẳng và thẳng góc với trục của thanh thì sau khi biến dạng vẫn phẳng và thẳng góc với trục của thanh

- Giả thuyết về các thớ dọc: Trong quá trình biến dạng các thớ dọc không ép lên nhau, cũng không đẩy nhau, các thớ dọc của thanh trước và sau khi biến dạng vẫn song song với nhau

- Dưới tác dụng của lực kéo hay nén đúng tâm, trên mặt cắt ngang chỉ có một thành phần ứng suất pháp σz

- Quan hệ giữa ứng suất và lực:

F

P

- Đo kích thước L0, d0 ban đầu

- Khắc vạch trên mẫu (Hình 1.2)

L

R

d 0

Hình 1.1

- 9 -

- Dự đoán giới hạn bền của vật liệu để định cấp tải trọng thích hợp:

2 bộ

Sơ B 0

=

σ

- Điều chỉnh cấp tải trọng, điều chỉnh kim trên đồng hồ đo lực về 0

- Điều chỉnh hai ngàm kẹp của máy kéo – nén thích hợp với hai đầu kẹp mẫu

- Đặt mẫu vào ngàm kẹp và kẹp chặt mẫu, kiểm tra kim chỉ lực, kiểm tra bộ phận vẽ biểu đồ

1.6 Tiến hành thí nghiệm.

- Thí nghiệm kéo được tiến hành trên máy kéo – nén

- Điều khiển máy cho tăng lực từ từ

- Trong quá trình kéo mẫu, chú ý đọc trị số lực chảy Pch và lực bền Pb trên đồng hồ

lực

- Khi mẫu đứt, xả áp lực dầu, tắt máy và lấy mẫu ra khỏi máy

1.7 Tính toán kết quả Đối với vật liệu thép (dẻo)

- Tính giới hạn chảy:

0

ch chF

P =σ

- Tính giới hạn bền:

0

b bF

P =σ

- Chấp liền mẫu đứt lại, tùy theo mẫu đứt nằm trong 4 khoảng chia đầu hay các khoảng còn lại (Hình 1.3) mà ta có cách đo L1 như sau:

9 Khi mẫu đứt rơi vào 1 trong 4 khoảng chia đầu (Hình 1.4): Chọn vạch gần vết đứt nhất làm vạch mốc đo chiều dài S của 5 khoảng chia hướng vào giữa mẫu chiều dài L1 = 2S

d0

Vạch trung tâm

Hình 1.3

Vết đứt

S = Chiều dài 5 khoảng chia Hình 1.4

Vạch Vết

mốcđứt

L1 = Chiều dài 10 khoảng

9 Khi mẫu đứt nằm trong các khoảng còn lại (Hình 1.5): Chọn vạch gần vết đứt nhất làm vạch mốc Lấy từ vạch mốc sang hai bên, mỗi bên 5 khoảng chia Đo chiều dài của 5x2 = 10 khoảng chia này ta sẽ được L1

- Tính độ dãn dài tương đối khi đứt:

100.L

LL

FF

1.8 Nhận xét kết quả thí nghiệm

- Vẽ biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lực P và biến dạng Δl

- Nhận xét tiết diện mặt cắt bị phá hỏng (tiết diện chỗ bị đứt)

- 10 -

§2 XÁC ĐỊNH MÔĐUN ĐÀN HỒI TRƯỢT G

2.1 Mục đích thí nghiệm

Nhằm xác định môđuyn đàn hồi trượt G của thép và kiểm nghiệm định luật Hooke

2.2 Cơ sở lý thuyết

Khi xoắn thuần túy thanh mặt cắt ngang hình tròn, góc xoắn tương đối giữa hai mặt

cắt ngang A và B cách nhau một đoạn L AB là:

J G

L M

=

P

AB z AB

P AB AB z

J

L M

= G

Trong đó: MZ: mômen xoắn

JP: mômen quán tính độc cực của mặt cắt ngang

Nếu xác định được MZ, JP, LAB và đo được ϕAB thì có thể suy ra môđuyn đàn hồi trượt G

Khi đặt quả cân, Dầm 6 chịu xoắn thuần tuý Nhờ chuyển vị kế đo được chuyển vị ΔA’ và ΔB’ tại vị trí A’ và B’, từ đó tính góc xoắn ϕA và ϕB tại vị trí A và B (là góc xoắn tuyệt đối giữa mặt cắt ngang A và B so với ngàm) Vì góc xoắn bé nên ta có:

- 11 -

A'

=

a

'B

=

a

'B'A

= J

4 P

π

- Đặt các chuyển vị kế tựa vào thanh ngang như hình vẽ

- Lập bảng ghi kết quả thí nghiệm như sau:

Số đọc trên chuyển vị kế

Lần đặt tải

2.6 Tiến hành thí nghiệm.

- Xem trọng lượng móc treo và thanh 2 là tải trọng ban đầu P1, đọc các trị số ΔA’1 và

ΔB’1 trên chuyển vị kế (Có thể điều chỉnh các số đọc này về 0)

- Lần lượt đặt các quả cân có khối lượng 0.5 Kg vào móc treo, đọc các trị số ΔA’i và

ΔB’i tương ứng trên các chuyển vị kế ( =1÷n)

2.7 Tính toán kết quả.

- Ứng với mỗi tải trọng Pi, theo 3.1 suy ra:

4 ' i

' i

AB i

4 AB

i

AB i

P

AB i

AB Z

32 B A

L b a

p d

32 L b P

= J

L M

=

G

π Δ

− Δ

= π ϕ

n 1

∑

=

=

2.8 Nhận xét kết quả thí nghiệm.

- Nhận xét về sự tuyến tính của các số đọc trên các chuyển vị kế (kiểm nghiệm định

luật Hooke)

- So sánh kết quả G tìm được bằng thí nghiệm với G được tính theo công thức:

)1(2

E

§3 XÁC ĐỊNH MOĐUYN ĐÀN HỒI E CỦA VẬT LIỆU VÀ GÓC XOAY TRONG DẦM CHỊU UỐN NGANG PHẲNG

3.1 Mục đích thí nghiệm:

- Xác định mođuyn đèn hồi E của thép, thông qua đó kiểm nghiệm lại định luật Hooke

3.2 Cơ sở lý thuyết:

- Xét dầm Công – xôn liên kết, chịu lực như hình 3.1

3

1.3

;2

3

;3

2 3

2 3

3

x

C C B

x

C C

x

B A B

x

B A

x

B B

EJ

L L L P EJ

PL y

EJ

L L PL EJ

PL y

EJ

PL y

−+

=

−+

=

=

- Dùng chuyển vị kế để đo trực tiếp các chuyển vị trên, các đại lượng: LB, LC, LA, J,

P đều được xác định dẫn đến các kết quả cần tìm sẽ là:

.2

3:

2.3

;2

3:

;3

2 3

2 3

3

x C

C C B

x C C

x A

B A B

x A B

x B B

J y

L L L P J y

PL E

Hoặc

J y

L L PL J

y

PL E

Hoặc

J y

PL E

−+

=

−+

B A B

L L

y y

- Mô hình thí nghiệm là một thanh thẳng có tiết diện hình chữ nhật cạnh bxh Đầu D được ngàm chặt, đầu A tự do Tại A và C đặt 2 chuyển vị kế để đo chuyển vị đứng của dầm, tại B đặt móc để treo các quả cân

- Sơ đồ bố trí thí nghiệm như trên hình 3.2

Hình 3.2

3.4 Dụng cụ thí nhiệm:

- Thước kẹp, thước lá, đồng hồ so

- Bộ phận treo cân và các quả cân

3.5 Chuẩn bị thí nghiệm:

- Đo các kích thước b, h của mẫu

- Đo các khoảng cách LA, LB, LC

- Xác định Momen quán tính:

12

bhJ

3

=

- Gá các chuyển vị kế, móc treo quả cân vào đúng vị trí thích hợp

- Lập bảng ghi kết quả thí nghiệm:

- 14 -

3.6 Tiến hành thí nghiệm:

- Xem trọng lượng móc treo cân là P1, ghi nhận các số đọc trên chuyển vị kế yA yC, (có thể điều chỉnh kim đồng hồ về 0 khi đã có móc treo

- Lần lượt đặt các quả cân có trọng lượng 0,5 Kg vào móc treo đọc các trị số yAi, yCi tương ứng trên chuyển vị kế và ghi kết quả vào bảng

- Kiểm soát kết quả bằng sự tuyến tính giữa Pi và các số đọc được Vì ΔP không đổi thì ΔyA, và ΔyC cũng không đổi Nếu sai lệch nhiều cần phải xem lại cách đặt các chuyển vị kế hay cách bố trí thí nghiệm

3.7 Tính toán kết quả:

- Ứng với mỗi lần chất tải thứ i, áp dụng (3.2) tính được Ei tương ứng:

.EJ2.y

LLL.PEJ3.y

L.PE

:Hoặc

;J

2.y

LLL.PJ3.y

L.PE

x Ci

2 C C B i x Ci

3 C i i

x Ai

B A 2 B i x Ai

3 B i i

−+

=

−+

=

- Khi tiến hành n lần đo thì giá trị của Mođyun đàn hồi cần đo là:

n

EE

n

1 i i Tbình

yy

Bi Ai

Bi Ai

−

=

- Vẽ đồ thị biểu diễn sự liên hệ giữa chuyển vị thẳng và góc xoay theo tải trọng P

3.8 Nhận xét kết quả thí nghiệm:

- Nhận xét về sự tuyến tính của các số đọc khi số gia tải trọng không đổi

- Nhận xét sai số giữa kết quả thí nghiệm với kết quả theo lý thuyết:

%100.thuyết

lýquảKết

nghiệmthực

quảKếtthuyếtlý

quảKếtđo

phépcủasố

=

- Tìm nguyên nhân gây ra sai số (nếu có)

- 15 -