Đề cương môn thí nghiệm sức bền vật liệu- Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
B. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU
Sau khi thực hành thí nghiệm, chúng ta cần đạt được các yêu cầu sau:
• Vẽ được biểu đồ kéo thép, xác định được Pch,Pb và các giai đoạn biến đổi khi kéo thép.
• Xác định được đăc trưng tính dẻo của thép: độ thắt tỉ đối, độ giãn tương đối.
• Xác được đường kính của thép xây dựng.
• Rút ra được các nhận xét về đặc trưng cơ học của thép.
• Hiểu được tính năng sử dụng của các thiết bị thí nghiệm: biết cách sử dụng thước
kẹp và dụng cụ cân khối lượng. MỤC LỤC TRANG
Bài 1: THÍ NGHIỆM KÉO THÉP 3
Bài2: THÍ NGHIỆM KÉO GANG 15
Bài3: THÍ NGHIỆM NÉN THÉP 17
Bài4: THÍ NGHIỆM NÉN GANG 21 …. Trang 2
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
Bài 1: THÍ NGHIỆM KÉO THÉP
1. Mục đích thí nghiệm:
• Xem xét mối quan hệ giữa lực (tải trọng) và biến dạng khi kéo mẫu thép.
• Xác định đặc trưng cơ học của thép
• Giúp sinh viên có cái nhìn trực quan về các giai đoạn biến đổi của thép khi thí nghiệm.
• Xác định đường kính của thép của thép xây dựng.
2. Cơ sở lí thuyết:
• Thanh chịu kéo nén đúng tâm là thanh mà trên mặt cắt ngang chỉ có một thành
phần nội lực là lực dọc Nz .
• Các giả thuyết làm cơ sở tính toán cho thanh chịu kéo nén đúng tâm:
▪ Giả thuyết mặt cắt ngang: Mặt cắt ngang trước và sau khi chịu lực vẫn
phẳng và vuông góc với trục thanh.
▪ Giả thuyết vật liệu: thép đồng chất và theo tiêu chuẩn xây dựng.
• Đặc trưng tính bền: Ptl σ = tl ▪ F Giới hạn tỷ lệ: 0 Pch σ = ch F0 ▪ Giới hạn chảy: P b σ = b ▪ F Giới hạn bền: 0
• Đặc trưng tính dẻo: L −L 1 0 σ (%)= ×100 % s L 0
▪ Độ giãn dài tương đối: F −F ψ ( % )= 0 1 ×100 % ▪ Độ F thắt tỉ đối: 0 Trong đó:
- F0 : diện tích mặt cắt ngang của mẫu lúc ban đầu.
- F1 : diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử 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.
3. Các giai đoạn làm việc:
• Đồ thị biểu diễn: Trang 3
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý ∆ L
Hình 1.1 Quan hệ (P-∆ L) v (ơ−¿) khi kéo thép
▪ GĐ1: Giai đoạn đàn hồi: P và ΔL quan hệ bậc nhất với nhau, khi lực P thôi tác dụng ΔL= 0.
▪ GĐ2: Giai đoạn chảy dẻo: P thay đổi không đáng kể nhưng ΔL vẫn tăng.
▪ GĐ3: Giai đoạn tái bền: P và ΔL theo một đường cong không xác định.
4. Mẫu thí nghiệm:
a. Mẫu thử tiêu chuẩn:
-Theo TCVN 197-1985: mẫu thí nghiệm có thể có tiết diện tròn hoặc chữ nhật. L0 L
Hình 1: Mẫu thí nghiệm kéo thép
- Đối với mẫu tiết diện tròn:
▪ L0 = 5d0 hay 10do (tuỳ mẫu ngắn hay dài) ▪ L = L0 +( 0.5d0 ÷ 2d0)
-Đối với mẫu tiết diện chữ nhật:
▪ L0 = 5.65√ F0 hay 11.30√ F0 ▪ L = L0+(1.5√ F0 2.5√ F0)
• Quan hệ giữa bề dày (t 0) và bề rộng (b0); chiều dài tính toán ( L0) của mẫu tiết
diện chữ nhật được cho trong bảng sau: Trang 4
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
Chiều dày mẫu (t 0)
Chiều rộng mẫu (b0)
Chiều dài tính toán ( L0) 0.5mm ≤ t ≤ 0 2.0mm 12.5mm 50.0mm 2.0mm <t ≤ 0 3.0mm 20.0mm 80.0mm 3.0mm <t 0 8.t 0
5.65√ F0 hay 11.30√ F0
Khắc vạch trên mẫu thử,khoảng cách giữa các vạch là 10mm.
b. Mẫu thử cốt thép xây dựng: L
- Chiều dài mẫu thử tối thiểu: Lmin = 14d0 + 2h
- Trong đó: d0 : đường kính thanh thép (mm).
h : chiều cao miệng kẹp (mm).
5. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm:
• Máy kéo (testing machine).
• Bộ ngàm kẹp (gripping devices).
• 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 ).
6. Chuẩn bị thí nghiệm: •
Kiểm tra lại các dụng cụ đo. •
Chuẩn bị mẫu thép thí nghiệm gồm: 1 thép xây dựng và 1 thép tiêu chuẩn dùng cho thí nghiệm. •
Xác định các thông số thép tiêu chuẩn:
+ Dùng thước kẹp xác định đường kính d0
+ Chọn chiều dài L0= 10d0.
+ Vạch chia đoạn L0 thành 10 đoạn nhỏ bằng nhau.
7. Tiến hành thí nghiệm:
• Thí nghiệm kéo được tiến hành trên máy kéo nén P50.
• Mở valve gia tải, cho mẫu thép thí nghiệm vào, sao cho vạch hướng ra ngoài để
quan sát đồng thời thanh thép phải nằm đối xứng. Đóng valve gia tải
• Khởi động thiết bị thí nghiệm, cho gia tải tăng dẫn.
• Quan sát các biến đổi của thanh thép khi tăng dần gia tải. Trang 5
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
8. Tính toán kết quả sau khi thí nghiệm:
• Tính toán các ứng suất giới hạn (giới hạn chảy, bền).
• Chấp liền mẫu lại, đo kích thước L1.
MẪU SAU KHI BỊ PHÁ HOẠI
a.Cách tính toán chiều dài mẫu sau khi đứt.
Hình 1.1: Tính L1-trường hợp 1
• Gọi: 0 là vị trí chỗ đứt; A là vạch biên trên đoạn ngắn.
• Gọi x là khoảng cách từ A đến 0. ▪
Nếu L0 /3 ≤ x ≤L0/2 : thì L1 là khoảng cách giữa 2 vạch biên mẫu thử (hình1.1) ▪
Nếu x< L0/3 phải “ quy đổi chỗ đứt về giữa mẫu” như sau:
-Gọi: N là số khoảng chia trên mẫu
-Gọi: B là điểm nằm trên vạch nào đó của đoạn dài sao cho “ khoảng cách từ
B đến 0 bằng hoặc nhỏ hơn 1 vạch so với khoảng cách từ A đến 0”
-Gọi n là số khoảng chia trên AB; Tính L1 theo 2 trường hợp sau: ✓
Nếu (N-n) là số chẵn (trường hợp2): ▪
Xác định điểm C nằm trên vạch cách điểm B(N-n)/2 khoảng chia ▪
Đo khoảng cách từ A đến B (LAB); từ B đến C (LBC)
Thì L1 = LAB + 2.LBC (Hình 1.2) Trang 6
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
Hình 1.2: Tính L1-trường hợp 2 ✓
Nếu (N-n) là số lẻ(trường hợp 3):
▪ Xác định điểm C nằm trên vạch cách điểm B(N-n-1)/2 khoảng chia
▪ Xác định D nằm trên vạch cách điểm C 1 khoảng chia
▪ Đo khoảng cách LAB, LBC ,LCD
Thì L1 = LAB + LBC + LCD (Hình 1.3) LAB n-Khoảng LBD O AL A B B CD
Hình 1.3: Tính L1-trường hợp 3
THỰC HÀNH THỰC TẾ TA CÓ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:
Với mẫu thép d0=10mm.
Mẫu thép trước khi kéo. Trang 7
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý Mẫu thép sau khi kéo.
Ta có 10 khoảng chia ứng với L0 = 10cm
Xác định được chiều dài của thanh sau khi kéo là L1= 10,3 cm L −L Độ 103−100
giãn dài tương đối: δ= 1 0 x100%= x100%=3% L0 100 F −F
Tính độ co thắt tỷ đối : ψ = 0 1 x100% F0 Với π .102 d =10 mm => F = = 78,54 (mm2). 0 0 4 π .72 d =7 mm => F = = 38,48 (mm2). 1 1 4 Với d , d 0
1 là đường kính ban đầu và khi bị đứt của mẫu. F , F 0
1 là diện tích của tiết diện ban đầu và khi bị đứt của mẫu. 78.54−38,48 ⇨ ψ = x100%= 51% 78.54
Qua thí nghiệm ta xác định được: Pch= 23158 N, Pb= 38465 N Pch
• Giới hạn chảy: ❑ = = 29,49 (kG/mm2) ch F 0 P •
Giới hạn bền: ❑ = b = 48,98 (kG/mm2) b F0
Đồ thị: P-∆ L Pb Pch ΔL Trang 8
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
9. Nhận xét, giải thích kết quả thí nghiệm:
- Sau khi kẹp mẫu, bắt đầu tăng lực từng cấp. Trong giai đoạn đầu, ta thấy lực tăng và
biến dạng cũng tăng theo. P và ∆L quan hệ với nhau theo đường thẳng bậc nhất. Giai
đoạn này gọi là giai đoạn đàn hồi.
-Sau đó tiếp tục gia tải nhưng đồng hồ tải trọng tăng không đáng kể trong khi đồng hồ
đo biến dạng tăng nhanh đồ thị có dạng đường cong gần như nằm ngang. Giai đoạn này
gọi là giai đoạn chảy dẻo. Ta xác định được Pch= 23158(N), ứng suất của giới hạn chảy là ơch = 29,49 (kG/mm2).
- Tiếp tục gia tải đồng hồ đo tải trọng tăng và đồng hồ biến dạng cũng tăng, như vậy vật
liệu bắt đầu đối phó với lực, đồ thị có dạng đường cong không theo hàm xác định. Giai
đoạn này gọi là giai đoạn tái bền, xác định được Pb=38465 (N), ứng suất của giới hạn
bền là ơb = 48,98 (kG/mm2) và tại vị trí này mẫu bắt đầu xuất hiện eo thắt.
- Tiếp tục gia tải ta thấy đồng hồ đo biến dạng tăng nhưng đồng hồ tải trọng có hiện
tượng giao động và một lúc sau, xuất hiện tiếng nổ và mẫu bị đứt tại vị trí nút thắt.
- Sau đó lấy mẫu ra kiểm tra ta thấy đường kính tại eo thắt chỉ còn 7(mm), giảm 3(mm)
so với ban đầu, độ thắt tỉ đối là 51%. Chiều dài sau khi đứt là 10,3(cm), tăng 3(mm) ta
xác định độ giản dài tương đối là 3%.
10. Thí nghiệm kéo mẫu thép cốt bê tông (thép gân):
Trình tự thí nghiệm:
• Xác định đường kính danh nghĩa của mẫu thép (ϕ).
• Xác định thông số của thép:
+ Xác định đường kính: Cân lấy khối lượng m và đo chiều dài l của thanh thép. πd2
m=γ×l × Dùng công thức:
4 lấy = 7,85 T/m3 ta được đường kính của thép.
+ Chọn chiều dài L0= 10d0.
+ Vạch chia đoạn thành 10 đoạn nhỏ mỗi đoạn bằng nhau.
Tính toán kết quả thí nghiệm:
• Diện tích tiết diện ngang danh nghĩa:ϕ=10mm - πd2 π .102 F = = = 78,54 (mm2) dn 4 4
• Diện tích tiết diện ngang thực tế: - m Ftt = γ .l t + m=175,69 (g)
+ γt = 7850 daN/m3 = 7,85.10-3 g/mm3 + l= 302,5 mm Trang 9
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý 175,69 ⇨ F = =73,99 mm2. tt − 7,85.10 3.302,5 • Ứng suất danh nghĩa: P
+ σ = c = (kG/mm2) cdn Fdn P + b σ = b F (kG/mm2) dn dn • Ứng suất thực tế: P + c σ = (kG/mm2) c F tt tt P + b σ = (kG/mm2) b F tt tt *Nhận xét:
- Khí bắt đầu gia tải cho P tăng lên thì biến dạng tăng theo, sau một thời gian gia tải đến
lúc P đủ lớn làm cho thanh thép gân đứt. Quan sát mặt cắt thép bị dứt thấy việc hình
thành nút thắt không đáng kể. Trang 10
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý Trang 11
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
Một số hình ảnh trong quá trình thí nghiệm Trang 12
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
Bài 2: THÍ NGHIỆM KÉO GANG
1. Mục đích thí nghiệm:
• Tìm hiểu giữa lực (tải trọng) và biến dạng khi kéo mẫu.
• Xác định giới hạn bền khi kéo¿ )của gang, vì gang là vật liệu giòn nên không có σ k. c
2. Cơ sở lí thuyết:
• Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa P-∆L có dạng: p
Quan hệ giữa P-∆L khi kéo gang. • P
Giới hạn bền kéo: σ bk k= b F0
3. Mẫu thí nghiệm: theo TCVN 197-1985 ,tương tự mẫu thép.
4. Thiết bị thí nghiệm:
• Máy kéo nén đa năng (Capacity=1000kN)
• Thước kẹp có độ chính xác 0.02mm
• Giấy vẽ biểu đồ (có chia ô lưới sẵn)
5. Chuẩn bị thí nghiệm:
• Dùng dụng cụ chà thật sạch bụi than ở 2 đầu mẫu thử. • Đo d (mẫu 0 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 mẫu.
• Kẹp mẫu vào ngàm kéo.
6. Tiến hành thí nghiệm: Trang 13
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
• Mở valve gia tải, điều chỉnh máy cho lực kéo tăng từ từ.
• Trong quá trình kéo chú ý đọc giá trị Pbk trên đồng hồ (hoặc đọc trn biểu đồ)
• Khi mẫu đứt,xả áp lực dầu,tắt máy và lấy mẫu ra khỏi máy.
7. Tính toán kết quả thí nghiệm: P
Giá trị giới hạn bền kéo: σ k= bk (kG/mm2) b F0
Pbk: giá trị bền kéo của vật liệu.
F0: Diện tích tiết diện mẫu thử.
8. Nhận xét,giải thích kết quả thí nghiệm:
Nhận xét dạng biểu đồ P-∆L
• Đồ thị P-∆L lí thuyết và thực nghiệm giống nhau gồm 2 giai đoạn
▪ Giai đoạn 1: Giai đoạn đàn hồi, P và ∆L quan hệ tuyến tính.
▪ Giai đoạn 2: Mẫu đứt khi P đạt Pb mà không có giai đoạn chảy dẻo.
• Một số tính chất cơ học của gang và so sánh với thép:
▪ Gang là vật liệu giòn, biến dạng của gang tăng ít khi P tăng.
▪ Quá trình phá huỷ của gang trải qua 2 giai đoạn,thép thì 3 giai đoạn.
▪ So với thép thì biến dạng của gang ít hơn khi tăng tải P.
▪ Gang chỉ tồn tại giới hạn bền khi kéo Trang 14
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
Bài 3: THÍ NGHIỆM NÉN THÉP
1. Mục đích thí nghiệm:
• Quan sát biến dạng của mẫu thép khi chịu nén.
• Xác định đặc trưng cơ học của thép: giới hạn chảy (σ c) của thép khi chịu nén.
2. Cơ sở lí thuyết:
Đồ thị quan hệ giữa lực nén P và biến dạng dài ∆L của mẫu thí nghiệm nén có dạng:
Hình 3.1Quan hệ giữa lực nén P và biến dạng dài ∆L Hình 3.2 Mẫu thí nghiệm
3. Mẫu thí nghiệm:
Mẫu có dạng hình trụ tròn (H3.2) hoặc lăng trụ đa giác với kích thước
d0 : đường kính ban đầu của mẫu.
h0 : chiều cao ban đầu của mẫu.
trong đó: 1 ≤ h 0 ≤ 3 ( Tỉ số trên để tránh hiện tượng bất ổn định khi nén) d 0
4. Dụng cụ thí nghiệm: •
Máy kéo nén đa năng (Capacity=1000kN) •
Thước kẹp có độ chính xác 0.02mm •
Giấy vẽ biểu đồ (có chia ô lưới sẵn).
5. Chuẩn bị thí nghiệm:
• Đo d0, h0 với mẫu trong thí nghiệm này thì d0=8mm, h0=20mm.
• Gắn và điều chỉnh bàn nén, điều chỉnh cho mẫu đứng thẳng và đúng tâm. Trang 15
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
• Chọn đối tượng thích hợp,đưa kim chỉ lực về “0”.
• Gắn giấy vẽ vào rulô, kiểm tra kim chỉ lực và bút vẽ trên rulô.
6. Tiến hành thí nghiệm:
• Mở valve gia tải, cho lực tăng từ từ.
• Theo dõi đồng hồ lực và biến dạng, đọc lực Pch ở giai đoạn chảy, tiếp tục tăng
lực đến 70÷80% cấp tải đang sử dụng thì dừng lại hay khi mẫu bị co ngắn
khoảng 50% thì xả áp lực và lấy mẫu ra ngoài.
7. Kết quả thí nghiệm:
Hình dạng của mẫu thử sau quá trình chịu lực: 20 Hình trụ (ban đầu) Hình trống (khi nén xong)
Biểu đồ quan hệ P-∆L:
8. Nhận xét, giải thích kết quả thí nghiệm:
Tính chất cơ học của thép khi chịu nén.
Thép là vật liệu chịu nén tốt, không bị phá huỷ đứt như khi bị kéo.
Trong quá trình nén thì việc xác định Pch là rất khó khăn.
Hai quá trình nén, kéo cho σ k ≈σn . P tăng nhiều, ∆L tăng ít khi nén. ch ch
Giải thích dạng mẫu thép và dạng phá hỏng sau khi thí nghiệm.
Mẫu có dạng hình trống sau khi nén là do dưới tác dụng của lực P và ma sát bàn nén,
nó cản trở sự phình to hai đầu dẫn tới mẫu có dạng hình trống( khác với giả thuyết là dạng lăng trụ tròn). Trang 16
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
Một số hình ảnh trong quá trình thí nghiệm Trang 17
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
Bài 4: THÍ NGHIỆM NÉN GANG
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 n) của gang. b
2. Cơ sở lí thuyết:
Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực nén P và biến dạng dài ∆L của mẫu thí nghiệm nén có dạng:
Quan hệ P-∆L khi nén gang.
-Thanh chịu kéo nén đúng tâm là thanh mà trên mặt cắt ngang chỉ có một thành phần
nội lực là lực dọc Nz
- Các giả thuyết làm cơ sở tính toán cho thanh chịu kéo nén đúng tâm:
+ Giả thuyết mặt cắt ngang: MCN trước và sau khi chịu lực vẫn phẳng và vuông góc với trục thanh.
+ Giả thuyết về các thớ dọc: trong quá trình chịu lực các thớ dọc không bị chèn ép
lên nhau, các thớ dọc trước và sau khi chịu lực vẫn song song với nhau.
+ Dưới tác dụng của lực kéo nén đúng tâm, trên mặt cắt ngang chỉ có 1 thành phần ứng suất ơz.
+Quan hệ giữa ứng suất và lực: ơz = P/F
3. Mẫu thí nghiệm:
Mẫu có dạng hình trụ tròn (H3.2) hoặc lăng trụ đa giác với kích thước
d0 : đường kính ban đầu của mẫu.
h0 : chiều cao ban đầu của mẫu.
trong đó: 1 ≤ h 0 ≤ 3 d 0
4. Dụng cụ thí nghiệm:
Máy kéo nén đa năng (Capacity=1000kN)
Thước kẹp có độ chính xác 0.02mm
Giấy vẽ biểu đồ (có chia ô lưới sẵn).
5. Chuẩn bị thí nghiệm: Đo d0, h0 Trang 18
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỨC BỀN VẬT LIỆU
GVHD: Nguyễn Thuế Quý
Gắn và điều chỉnh bàn nén,khớp cầu.
Đặt mẫu vào bàn nén , điều chỉnh mẫu thẳng đứng và đúng tâm.
Chọn đối tượng thích hợp,đưa kim chỉ lực về “0”.
Gắn giấy vẽ vào rulô, kiểm tra kim chỉ lực và bút vẽ trên rulô.
6. Tiến hành thí nghiệm:
Mở valve gia tải, cho lực tăng từ từ.
Theo dõi đồng hồ, đọc giá trị Pbn ( hay đọc trên biểu đồ)
Khi mẫu bị phá hỏng thì dừng lại: xả áp lực và lấy mẫu ra.
7. Tính toán kết quả thí nghiệm:
Giới hạn bền khi nén: P
σ n= bn b F0
Pbn: tải trọng khi mẫu bị phá hoại. π d2 F0: tiết diện mẫu, F0= 0 . 4
Dạng của mẫu thử sau khi thí nghiệm: Ban đầu Bị phá hoại
8. Nhận xét kết quả thí nghiệm và giải thích: Trang 19