Báo cáo thí nghiệm sức bền vật liệu

1.3 Thiết bị thí nghiệm: • Máy kéo đa năng (Capacity = 1000kN); • Thước thẳng bằng hợp kim có độ chính xác 1 mm; • Thước kẹp bằng hợp kim có độ chính xác 0,02 mm; • Dụng cụ kẻ vạch trên mẫu thử ( giũa “ba lá”); • Giấy vẽ biểu đồ (có chia lưới). 1.4 Chuẩn bị thí nghiệm: • Kiểm tra các dụng cụ đo; • Đo d0 (mẫu tròn) tính L0 = 10.d0; • Khắc vạch lên mẫu (khoảng cách = 10 mm) xem hình 1.3; • Điều chỉnh kim chỉ lực về vị trí “0” trên đồng hồ; • Chọn đối trọng và ngàm kéo thích hợp với kích thước mẫu thử; • Kẹp mẫu vào ngàm kéo; • Gắn giấy vẽ vào rulô, kiểm tra kim chỉ lực và bút vẽ trên rulô. 1.5 Tiến hành thí nghiệm: • Mở valve gia tải: cho máy tăng lực kéo từ từ; • Theo dõi đồng hồ: đọc các giá trị Pc Pb (hoặc đọc trên biểu đồ); • Khi mẫu thử bị đứt: xả áp lực và lấy mẫu thử ra.

M ục L ục

Bài 1: Thí nghiệm kéo thép .2

Phụ lục 8

Bài 2: Thí nghiệm kéo gang 10

Bài 3: Thí nghiệm nén thép 13

Bài 4: Thí nghiệm nén gang 15

Bài 5: Thí nghiệm uốn thép xây dựng 18

Bài 6: Xác định module đàn hồi của thép 20

Bài 7: Xác định module chống trượt của thép 23

Bài 1: THÍ NGHIỆM KÉO THÉP

1.1 Mục đích thí nghiệm:

 Tìm hiểu quan hệ lực (tải trọng) và biến dạng khi kéo mẫu thép;

 Xác định một số đặc trưng cơ học của thép:

F1: diện tích mặt cắt ngang của mẫu tại vị trí bị đứt;

L0: chiều dài tính toán ban đầu của mẫu thử;

L1: chiều dài tính toán sau khi đứt của mẫu thử

 Máy kéo đa năng (Capacity = 1000kN);

 Thước thẳng bằng hợp kim có độ chính xác 1 mm;

 Thước kẹp bằng hợp kim có độ chính xác 0,02 mm;

 Dụng cụ kẻ vạch trên mẫu thử ( giũa “ba lá”);

 Giấy vẽ biểu đồ (có chia lưới)

1.4 Chuẩn bị thí nghiệm:

 Kiểm tra các dụng cụ đo;

 Đo d0 (mẫu tròn) tính L0 = 10.d0;

 Khắc vạch lên mẫu (khoảng cách = 10 mm) xem hình 1.3;

 Điều chỉnh kim chỉ lực về vị trí “0” trên đồng hồ;

 Chọn đối trọng và ngàm kéo thích hợp với kích thước mẫu thử;

 Kẹp mẫu vào ngàm kéo;

 Gắn giấy vẽ vào ru-lô, kiểm tra kim chỉ lực và bút vẽ trên ru-lô

1.5 Tiến hành thí nghiệm:

 Mở valve gia tải: cho máy tăng lực kéo từ từ;

 Theo dõi đồng hồ: đọc các giá trị Pc & Pb (hoặc đọc trên biểu đồ);

 Khi mẫu thử bị đứt: xả áp lực và lấy mẫu thử ra

1.6 Tính toán kết quả thí nghiệm:

 Kết quả thí nghiệm được ghi lại tại bảng sau:

Mẫu thép L0 (mm) x (σmm) N n

Xác định ‘chiều dài tính toán’ của mẫu thử sau khi đứt:

 Gọi: 0 là vị trí chỗ đứt; A là vạch biên trên đoạn ngắn;

 Gọi x là khoảng cách từ A đến 0:

 Theo kết quả thí nghiệm cho ta thấy x = 7 < L0

3

 Gọi: N là số khoảng chia trên mẫu => N =10;

 Gọi: B là điểm nằm trên vạch nào đó của đoạn dài saocho ”khoảng cách từ B đến 0 bằng hoặc nhỏ hơn 1vạch so với khoảng cách từ A đến 0”;

 Gọi n là số khoảng chia trên AB => n =1;

 Vì (N - n) = 10 – 1 = 9 là số lẻ nên:

 Điểm C nằm trên vạch cách điểm B 4 khoảng chia;

 Điểm D nằm trên vạch cách điểm C 1 khoảng chia;

Hình 1.4 : Mẫu thử sau khi đứt

 Độ giãn dài tương đối:

π 102

4

.100

= 51%

c) Tính giới hạn chảy (σσc ) và giới hạn bền (σσ b ):

 Diện tích mặt cắt ngang lúc đầu của mẫu thử:

Hình 1.5 : Biểu đồ quan hệ (P – ∆L)

1.7 Nhận xét, giải thích kết quả thí nghiệm:

 Nhận xét dạng biểu đồ P-∆L:

 Giai đoạn tỉ lệ (0-Ptl): Quan hệ giữa P và ∆L là tuyến tính

 Giai đoạn tỉ lệ (Ptl-Pch) : Lực Kéo P và ∆L không còn là tuyến tính nữa Lúc này P tăng chậm những Thép biến dạng nhanh, tức là ∆L biến dạng nhanh

 Giai đoạn bền (Pch-Pb): Lúc này lực kéo tiếp tục tăng đến khi mẫu thép thắt lại và bị đứt

 Một số tính chất cơ học của thép (vật liệu dẻo):

- Trọng lượng nhẹ hơn đa số kết cấu chịu lực khác

- Do hàm lượng C trong thép thấp hơn 2,06% nên thép có tính dẻo cao, nhưng độ cứng thấp

- Giới hạn chảy, giới hạn bền và giới hạn đàn hồi của thép lớn

- Khả năng chịu kéo, uốn cao

- Cường độ chịu lực cao công trình làm bằng thép có khả năng chịu tảikhá lớn

1.8 Thí nghiệm kéo mẫu thép cốt bê-tông (thép gân):

 Trình tự thí nghiệm:

 Xác định đường kính danh nghĩa (ϕ) của mẫu thép;

 Dùng thước thẳng đo chiều dài (l ) mẫu thép;

 Dùng cân điện tử để xác định khối lượng (m) mẫu thép;

 Khắc vạch trên mẫu: mỗi vạch cách nhau 2,0ϕ; 2,5ϕ hoặc 5,0 ϕ

(tùy theo đường kính ϕ); Chiều dài tính toán: L0 = 10 ϕ;

 Gắn mẫu vào ngàm kéo và thực hiện các bước tiếp theo (giống nhưtrường hợp kéo mẫu tròn trơn)

 Tính toán kết quả thí nghiệm:

 Diện tích tiết diện ngang danh nghĩa:

 Ứng suất chảy danh nghĩa: σ c dn = F P

Hình 1.1: Máy kéo nén đa năng

Hình 1.2: Bộ dụng cụ thí nghiệm

Hình 1.3: Biểu

đồ kéo thép

Hình 1.4: Mẫu thép bị đứt

Hình 1.5: Biểu

đồ kéo thép gân

Hình 1.6: Mẫu thép gân bị đứt

Bài 2: THÍ NGHIỆM KÉO GANG

2.1 Mục đích thí nghiệm:

 Tìm hiểu quan hệ giữa lực (tải trọng) và biến dạng khi kéo mẫu gang;

 Xác định giới hạn bền khi chịu kéo (σ b k) của gang;

 Đo d0 (mẫu tròn);

 Chọn đối trọng thích hợp;

 Điều chỉnh kim chỉ lực về vị trí “0” trên đồng hồ;

 Chọn ngàm kéo thích hợp với kích thước đầu ngàm của mẫu;

 Kẹp mẫu vào ngàm kéo;

 Gắn giấy vẽ vào ru-lô, kiểm tra kim chỉ lực và bút vẽ trên ru-lô

2.6 Tiến hành thí nghiệm:

 Mở value gia tải: cho máy tăng lực kéo từ từ;

 Theo dõi đồng hồ: đọc giá trị Pb.k (hoặc đọc trên biểu đồ);

 Khi mẫu bị đứt: xã áp lực và lấy mẫu thử ra

2.7 Tính toán kết quả thí nghiệm:

 Giai đoạn từ (0-Pb): P và ∆L tuyến tính

 Giai đoạn bền: P tăng nhanh đến giá trị cực đại và bị đứt, trong khi biến dạng dài rất ít

 Tính chất cơ học của gang (vật liệu giòn):

- Do hàm lượng C trong gang chiếm hơn 2,1% nên gang có độ cứng cao nhưng độ dẻo thấp, tính giòn cao

- Điểm nóng chảy thấp, độ chảy loãng tốt, dễ gia công, có khả năng chịu mài mòn, chịu oxi hóa cao, do đó gang được sử dụng trong rất nhiều chi tiết, lĩnh vực khác nhau

 So sánh tính chất cơ học của thép (vật liệu dẻo) và tính chất cơ học của gang (vật liệu giòn):

- Gang và thép đều là hợp kim giữa sắt (Fe) và Cacbon (C) cơ bản giống nhau về cấu tạo nhưng khác nhau về tỉ lệ thành phần Cacbon có trong hợp kim, điều này làm nên sự khác nhau rõ rệt về tính chất cơ học

- Hàm lượng C trong gang chiếm từ 2,1% ÷ 4,3% nên gang có độ cứng cao,tính giòn cao nhưng độ dẻo thấp

d0 (mm) F0 (mm2) P b k (kN) σ b k (MPa)

- Hàm lượng C trong thép chiếm từ 0,02% ÷ 2,06% nên thép có tính dẻo cao nhưng độ cứng thấp.

 Trong xây dựng người ta thường sử dụng thép vì:

- Các tiêu chí của thép về tính dẻo, tính đàn hồi, cường độ chịu lực phù hợpvới các kết cấu chịu lực lớn trong các công trình xây dựng

- Trọng lượng nhẹ hơn đa số các kết cấu chịu lực khác

- Hình dạng và kích thước tiết diện tương đối bé nên công trình thường có dáng dấp thanh mảnh, nhẹ nhàng

- Có tính công nghiệp hóa cao: có thể sản xuất hoàn toàn trong nhà máy, vận chuyển, lắp ráp dễ dàng, nahnh chóng

- Tính đồng chất cao, tính chống thấm cao

Đối với gang: Độ dẻo thấp, tính giòn cao nên ít được sử dụng trong công

trình xây dựng, trong xây dựng người ta thường sử dụng gang xám – có

thành phần C ở dạng tự do còn gang trắng không nên dung trong những

kết cấu tải trọng động, tải trọng lặp vì dễ bị phá hoại

Bài 3: THÍ NGHIỆM NÉN THÉP

3.1 Mục đích thí nghiệm:

 Quan sát biến dạng của mẫu thép khi chịu nén;

 Xác định giới hạn chảy (σc) của thép khi chịu nén (rất khó xác định).

3.2 Cơ sở lý thuyết:

 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực n-én (P) và biến dạng dài (∆L) của mẫu

thí nghiệm nén thép có dạng như sau:

Hình 3.1-a: Quan hệ P - ∆L khi nén thép Hình 3.1-b: Mẫu thí nghiệm

 Giới hạn chảy của thép khi chịu nén : σ c n= P F c n

3.3 Mẫu thí nghiệm:

 Mẫu có dạng trụ tròn (h 3.2) hoặc lăng trụ đa giác, với kích thước:

 d0: đường kính ban đầu của mẫu;

 h0: chiều cao ban đầu của mẫu;

 Điều chỉnh kim chỉ lực về vị trí “0” trên đồng hồ;

 Gắn giấy vẽ vào ru-lô;

 Kiểm tra kim chỉ lực và bút vẽ trên ru-lô

3.6 Tiến hành thí nghiệm:

 Mở valve gia tải: cho máy tăng lực nén từ từ;

 Quan sát biến dạng của mẫu thép, khi mẫu bị co ngắn khoảng 50% thì xả

áp lực & lấy mẫu ra

3.7 Kết quả thí nghiệm:

 Hình dạng mẫu thử sau quá trình chịu lực:

 Kết quả thí nghiệm:

h0 (mm) d0 (mm) F0 (mm2) P c n (kN) σ c n (MPa)

3.8 Nhận xét, giải thích kết quả thí nghiệm:

 Đánh giá tính chất cơ học của vật liệu thép khi chịu nén:

Mẫu vật liệu dẻo (thép): Ta có giới hạn chảy σcn = Pc n Fo = 431.75 (MPa)dựa vào bản tiêu chuẩn của vật liệu, mẫu thép này thuộc loại thép khá tốt.Trong quá trình nén thì việc xác định Pc là rất khó khăn

 So sánh với tính chất của nó khi chịu kéo: Dựa vào kết quả thí nghiệmkéo và nén thép, ta nhận thấy thép là vật liệu chịu kéo nén rất tốt nhờ tínhdẻo Khi bị nén, thép không bị phá huỷ đứt như khi bị kéo Khả năng chịunén cao của thép phụ thuộc nhiều vào hàm lượng cacbon trong thép

Bài 4: THÍ NGHIỆM nén GANG

4.1 Mục đích thí nghiệm:

 Tìm hiểu quan hệ giữa lực và biến dạng khi nén gang;

 Xác định giới hạn bền khi chịu nén (σ b n) của gang

4.2 Cơ sơ lý thuyết:

 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực nén (P) và biến dạng dài (∆L) có dạng như hình 4.1:

Hình 4.1-a: Quan hệ P - ∆L khi nén gang; Hình 4.1-b: Mẫu thí nghiệm

 Giới hạn bền khi chịu nén: σ b n = P b n

4.3 Mẫu thí nghiệm:

 Mẫu có dạng trụ tròn (h 4.2) hoặc lăng trụ đa giác, với kích thước:

 d0: đường kính ban đầu của mẫu;

 h0: chiều cao ban đầu của mẫu;

 Điều chỉnh kim chỉ lực về vị trí “0” trên đồng hồ;

 Gắn giấy vẽ vào ru-lô;

 Kiểm tra kim chỉ lực và bút vẽ trên ru-lô

4.6 Tiến hành thí nghiệm:

 Mở valve gia tải: cho máy tăng lực nén từ từ;

 Theo dõi đồng hồ: đọc giá trị Pb.n (hoặc đọc trên biểu đồ);

 Khi mẫu bị phá hoại thì dừng lại: xả áp lực và lấy mẫu ra

4.7 Tính toán kết quản thí nghiệm:

 Hình dạng của mẫu thử sau thí nghiệm:

Nhận xét: Mẫu bị bể xiên 45°.

 Kết quả thí nghiệm:

h0 (mm) d0 (mm) F0 (mm2) P b n (kN) σ b n (MPa)

4.8 Nhận xét, giải thích kết quả thí nghiệm:

 Trình bày cơ tính của vật liệu gang:

- Gang có cơ tính kém

- Độ bền thấp, giới hạn bền kém < 350-400 MPa (thường nằm trong khoảng 150-350MPa) chỉ bằng nửa của thép thông dụng (1/3-1/5 thép hợp kim)

- Độ dẻo thấp, được xem là vật liệu giòn

Trong thành phần củathép có ít cacbon hơngang và còn có một sốthành phần khác Thép

có tính cứng, bền, dẻo

và khả năng chống gỉ(phụ thuộc vào thành

phần)

Từ thí nghiệm trên, ta thấy tính dẻo, độ bền của thép vượt trội gang Tuy nhiên trong một số giới hạn cụ thể người ta có thể sử dụng gang thay thépcho thấy gang (vật liệu giòn) chịu nén tốt hơn chịu kéo và do đó cúng được sử dụng thích hợp trong các kết cấu nén

Bài 5: THÍ NGHIỆM UỐN THÉP XÂY DỰNG

5.1 Mục đích thí nghiệm:

 Kiểm tra, đánh giá cơ tính của vật liệu;

 So sánh với tiêu chuẩn của sản phẩm đã công bố

5.2 Bản chất phương pháp:

 Mẫu thử (có tiết diện vuông, chữ nhật, tròn) được đem biến dạng dẻoxuong quanh gối uốn (búa uốn) đến khi đạt góc uốn định trước hoặc đếnkhi xuất hiện vết nứt (hình 5.1)

Hình 5.1: Sơ đồ thí nghiệm uốn

5.3 Mẫu thí nghiệm:

Theo TCVN 198-1985:

 Chiều rộng mẫu thử (vuông, chữ nhật hay đa giác):

 Nếu vật liệu có chiều rộng ban đầu b0 ≤ 20 mm lấy b = b0;

 Nếu vật liệu có b0 > 20 mm gia công để có b = (20 ÷ 50) mm,

sao cho b = 2.a

 Nếu vật liệu có a0≤ 3 mm lấy a = a0; b ≤ 20 mm (± 5 mm)

 Chiều dày mẫu thử (vuông, chữ nhật hay đa giác);

 Khi a0 ≤ 25 mm lấy a = a0;

 Khi a0 >25 mm gia công để có a = 25mm;

(Khi uốn: để mặt không bị gia công về phía chịu kéo)

 Đường kính mẫu thử (tròn):

 Nếu d0 ≤ 50 mm: lấy d =d0;

 Nếu d > 50 mm gia công để cho d = (20 ÷ 50) mm;

 Chiều dài mẫu thử:

 Phụ thuộc bề dày (hoặc đường kính) mẫu thử và cách tiến hành thử

5.5 Tiến hành thí nghiệm: (mẫu thép cốt bê-tông)

 Chọn búa uốn (D) thích hợp với kích thước mẫu: D=(2,5 ÷ 3,0).ϕ;

 Gắn búa uốn vào máy;

 Điều chỉnh khoảng cách 2 gối đỡ;

 Mở máy, điều chỉnh cho búa uốn chạm vào mẫu thử;

 Gia tải từ từ để uốn mẫu đến góc 90° lấy mẫu ra, xem xét có vết nứt

5.7 Nhận xét, giải thích kết quả thí nghiệm:

 Thí nghiệm uốn đối với thép cường lực được sử dụng để kiểm tra độ dẻo Mẫu không được giảm độ bền của nó và không được phép dò thấy điểm nứt thông qua kiểm tra bằng giác quan Nhiều đế đỡ và khuôn tròn khác nhau được xác định, phụ thuộc vào tiêu chuẩn, góc uốn theo quy luật góc 90° hoặc 180°

 Do thép có khả năng chịu uốn lớn nên trong xây dựng người ta rất hay sử dụng thép vì có thể bẻ cong từ một thanh thép thẳng thành một khung hình chữ nhật, hình tròn, hình chữ U…

Bài 6: XÁC ĐỊNH MODULE ĐÀN HỒI CỦA THÉP 6.1 Mục đích thí nghiệm:

 Xác định module đàn hồi (E) của thép;

12 : moment quán tính của tiết diện;

L: chiều dài nhịp tính toán;

 Chiều dài nhịp tính toán (L) là khoảng cách từ vị trí có tiết diện không đổi (“ngàm”) đến vị trí đặt lực Nên chọn L là bội số của 10 mm (để thuận

6.5 Chuẩn bị; tiến hành thí nghiệm:

 Dùng thước kẹp đo kích thước tiết diện ngang;

 Gắn đồng hồ đo biến dạng vào giá đỡ;

 Dùng thước thẳng đo chiều dài nhịp;

 Lắp thiết bị treo tải vào mẫu thử đọc (ghi lại) con số trên đồng hồ đo

biến dạng: (δ)0);

 Đặt một quả cân vào vị trí treo tải (mỗi quả cân có trọng lượng 5N)

đọc (ghi lại) số trên đồng hồ đo biến dạng: (δ)1);

 Đặt tiếp quả cân thứ hai lên giá treo tải đọc (ghi lại) số trên đồng hồ

đo biến dạng: (δ)2);

 Tiếp tục quá trình trên (đến khi hết 5 quả cân)

6.6 Kết quả thí nghiệm:

- Số gia độ võng: chép trong tài liệu

- Mô đun đàn hồi:

b (mm) h(mm)

6.7 Nhận xét kết quả thí nghiệm:

 Nhận xét độ lớn, trị số của kết quả tìm được:

- Với vật liệu bằng thép,theo lý thuyết Elt=200000MPa ,như vậy đođược lớn hơn Elt nguyên nhân do sai số

 Giải thích nguyên nhân sai số nếu có:

- Khi đo đường kính và chiều dài chỉ mang tính tương đối

- Chuyền vị bé,trang thiết bị khó chính xác

- Làm tròn số liệu khi tính toán

Bài 7: XÁC ĐỊNH MODULE CHỐNG TRƯỢT CỦA

THÉP

7.1 Mục đích thí nghiệm:

 Xác định module chống trượt (G) của thép;

 So sánh với giá trị G đã được công bố.

7.2 Cơ sở lý thuyết:

 Khi xoắn thuần túy một thanh có mặt cắt ngang hình tròn, góc xoắn tương

đối 2 mặt cắt A, B cách nhau một đoạn LAB được tính như sau:

φAB = M z ∙ L AB

Trong đó: M z: moment xoắn (hằng số trên chiều dài AB),

J p : moment quán tính đối với tâm của tiết diện ngang,

G: module chống trượt của vật liệu,

 Từ quan hệ trên, có thể tính được G nếu đo được các giá trị còn lại.

 Trong khoảng từ ngàm đến ổ bi có gắn 2 thanh ngang (console [4]),

 Các đồng hồ đo biến dạng (chuyển vị kế [5]) được gắn ở gắn console [4])

7.5 Chuẩn bị; tiến hành thí nghiệm:

 Dùng thước kẹp đo đường kính mẫu thử,

 Gắn đồng hồ đo biến dạng vào giá đỡ,

 Dùng thước thẳng đo khoảng cách giữa A và B (LAB),

 Đo khoảng cách từ trục mẫu [1] đến vị trí đồng hồ đo biến dạng (a),

 Đo khoảng cách từ trục mẫu [1] đến vị trí treo các quả cân (b),

 Lắp thiết bị treo tải vào đầu console [3] đọc (ghi lại) các con số trên

đồng hồ đo biến dạng: (δ)A,0 và δ) B,0);

 Đặt một quả cân vào vị trí treo tải (mỗi quả cân có trọng lượng 10N)

đọc (ghi lại) số trên hai đồng hồ đo biến dạng: (δ)A,1 và δ) B,1).

 Đặt tiếp quả cân thứ hai lên giá treo tải đọc (ghi lại) số trên đồng hồ

đo biến dạng: (δ)A,2 và δ)B,2).

 Tiếp tục quá trình trên (cho đến khi hết 5 quả cân)

7.7 Nhận xét kết quả thí nghiệm:.

 Nhận xét và so sánh độ lớn G tìm được với lý thuyết:

- Với vật liệu bằng thép theo lý thuyết Glt = 80000MPa, như vậy G

đo được lớn hơn do nguyên nhân sai số

 Giải thích nguyên nhân sai số:

- Khi đo đường kính chiều dài chỉ mang tính tương đối

- Chuyển vị bé trang thiết bị khó chính xác

- Làm tròn số liệu khi tính toán