Chương 5. Vật liệu và ứng suất môn Nhập môn kỹ thuật cơ khí | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

lOMoAR cPSD| 59595715
NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Chương 5. Vật liệu và ứng suất 5.1. Tổng quan 5.2. Kéo và nén 5.3. Đáp ứng vật liệu 5.4. Trượt
5.5. Vật liệu kỹ thuật 5.6. Hệ số an toàn PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên lOMoAR cPSD| 59595715 1 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
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên lOMoAR cPSD| 59595715
Relationship of the topics emphasized in this chapter (shaded boxes) relative to
an overall program of study in mechanical engineering PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên lOMoAR cPSD| 59595715 3 5.2. Kéo và nén
A straight is stretched and placed in tension PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT Biến dạng:
(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. PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 5 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT Đơn vị ứng suất:
Trong hệ SI: ơn 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. PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 6 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT 5.3. Đáp ứng vật liệu
Lực tác dụng và ộ dãn dài tỷ lệ thuận với nhau: F k: ộ cứng (stiffness)
(a) Force-elongation behaviors of rods having various cross- sectional areas and
lengths, (b) Each rod has similar stress- strain behavior
Quan hệ biến dạng và ứng suất: PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 7 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT
Idealized stress-strain curve for structural steel.
Ứng suất và biến dạng tỷ lệ thuận với nhau trong vùng biến dạng àn hồi: PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 8 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT
E: Mô un àn hồi vật liệu (elastic modulus, or Young’s modulus)
Độ dãn dài vật liệu khi ứng suất dưới iểm giới hạn tỷ lệ ( iểm A trên ồ thị): = Độ cứng: =
Thuộc tính vật liệu ịnh lượng ộ co hay nở rộng mặt cắt ngang của mẫu khi chịu
tác dụng của lực gọi là hệ số Poisson, ký hiệu : ν Δ Δd = -νd
Giới hạn chảy (Yield strength): Sy Giới
hạn bền (Ultimate strength): Su
Thuộc tính của một số kim loại: PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 9 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT
Elastic Modulus and Weight Density of Selected Metals* PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 10 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 11 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT
Ultimate and Yield Strengths of Selected Metals* Example 1: U-Bolt Clamp
The U-bolt is used to attach the body (formed with I-beam construction) of a
commercial moving van to its chassis (formed from hollow box channel). The Ubolt
is made from a 10-mm-diameter rod, and the nuts on it are tightened until the
tension in each straight section of the U-bolt is 4 kN. (a) Show how forces are
transferred through this assembly by drawing free body diagrams of the U-bolt and
its 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. PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 12 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 13 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT Example 2
For the 10-mm-diameter steel U-bolt in Example 1, determine the (a) strain, (b)
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. PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 14 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT 5.4. Trượt (Shear)
- Trượt ứng suất hướng theo cùng mặt phẳng với mặt cắt ngang của thanh -
Ứng suất tiếp (ứng suất trượt): = V: lực cắt (shear force)
A: diện tích mặt cắt ngang
Shear forces and stresses act on material that is being pressed between two rigid supports PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 15 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 16 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT
VD: Hãy xác ịnh ứng suất trượt tại chốt quay B của kéo theo ơn vị của hệ SI (Pa).
Cho biết: chốt kéo có ường 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 m 2 = 7,659 x 106 N/m2 = 7,659 x 106 Pa
5.5. Vật liệu kỹ thuật PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 17 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT 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 ồng, thép (grade
1020, 4320,…), thép không gỉ (316, 440c,..), hợp kim titan b. Gốm (Ceramics)
Đặc trưng bởi ộ cứng cao, dòn, chịu nhiệt, chịu mài mòn, cách iện
Một số thành phần chính của gốm: Si , , 3N4 A1203 TiC c. Pô li me (Polymers) d. Vật liệu composite 5.6. Hệ số an toàn
Hệ số an toàn (Factor of safety) ược ịnh nghĩa là tỷ số giữa ứng suất phá hủy với
ứng suất ở trạng thái làm việc bình thường của chi tiết máy.
Hệ số an toàn khi kéo: ntension = PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 18 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT
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 ộng ược lắp trên trục ường kính 1 inch
với mối ghép then có chiều dài 1,75 inch và mặt cắt ngang 0,25 x 0,25 inch. Then ược
làm bằng thép grade 1045. Khi bánh răng dẫn ộng bằng lực tác dụng trên răng là 1500
lb. Hãy xác ịnh ứng suất trượt tại then và hệ số an toàn chảy dẻo của then. PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 19 lOMoAR cPSD| 59595715
CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU VÀ ỨNG SUẤT Giải:
- ĐK cân bằng mô men tại tâm trục: = 0 V =7500 lb : PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên 20