Thí nghiệm SBVL - Bài 1: Thí nghiệm kéo thép

Trang MỤC LỤC 1 Bài 1: THÍ NGHIỆM KÉO THÉP 2 Bài2: THÍ NGHIỆM KÉO GANG 5 Bài3: THÍ NGHIỆM NÉN THÉP 7 Bài4: THÍ NGHIỆM NÉN GANG 8 Bài 5: THÍ NGHIỆM UỐN THÉP XÂY DỰNG 9 Bài 6: XÁC ĐỊNH MODULE ĐÀN HỒI CỦA THÉP 10 Bài 7: XÁC ĐỊNH MODULE CHỐNG TRƯỢT CỦA THÉP 11 Phụ lục: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM 12 Bài 1 : THÍ NGHIỆM KÉO THÉP 1.7 Kết quả thí nghiệm a. Chiều dài tính toán sau khi đứt ; độ giãn dài tương đối Hình dạng mẫu sau khi đứt (đã chấp lại ): x = 15 mm L0 /3 = 100/3 mm Chiều dài tính toán sau khi đứt (L1); độ giãn dài tương đối (d) =Trường hợp x ≤ L0 /3 & (N-n) chẵn (Trường hợp 2) N n LAB(mm) LBC(mm) L1(mm) L0(mm) d(%) 10 2 28 40 108 100 8 =Độ co thắt tỉ đối (ψ) d0(mm) F0(mm2) d1(mm) F1(mm2) F-F0(mm2) Ψ(%) 10 78,5 6,1 29,2 49,3 62,8 c.Giới hạn chảy (σc ) và giới hạn bền (σb) d0(mm) F0(mm2) Pc (kN) σc (MPa) Pb(kN) σb (MPa) 10 78,5 16,96 216,05 36,82 469,04 d.Vẽ lại biểu đồ P-∆L Hình 1.1 Quan hệ (P-∆L) v (s-e) khi kéo thép lý thuyết e. Nêu các giai đoạn của biểu đồ P- ΔL, ý nghĩa thực tiễn của từng giai đoạn Biểu đồ mối quan hệ giữa P –ΔL của thép gồm 3 giai đoạn: - Giai đoạn 1( 0 -Ptl) :Quan hệ giữa P và ΔL là quan hệ tuyến tính, giai đoạn này gọi là giai đoạn đàn hồi. Đây là giai đoạn làm việc chủ yếu của vật liệu, người kĩ sư cần tính toán phù hợp để vật liệu làm việc ở giai đàn hồi này. - Giai đoạn 2 (Ptl -Pch) : Quan hệ giữa P và ΔL không còn là quan hệ tuyến tính nữa. Lúc này P tăng chậm nhưng thép biến dạng nhanh, tức là ΔL biến dạng nhanh. Giai đoạn này gọi là giai đoạn chảy dẻo. Trong giai đoạn này, nếu dỡ tải, sẽ có một phần biến dạng được hồi phục ( biến dạng đàn hồi) và một phần biến dạng còn tồn tại (biến dạng dẻo). Nguyên nhân gây biến dạng dẻo là sự trượt mạng tinh thể. Vật liệu làm trong trạng thái đàn hồi - dẻo. - Giai đoạn 3 (Pch -Pb): Lúc này lực kéo tiếp tục tăng đến khi mẫu thép thắt lại và đứt. Giai đoạn này gọi là giai đoạn bền. Người ta thường ứng dụng trong việc rèn thép, tăng độ biến dạng ΔLsau > ΔLbđ , tạo nên ΔLdư . Rèn nên dao, rựa, cuốc, có độ cứng hơn vật liệu ban đầu. 1.8 Nhận xét, giải thích kết quả thí nghiệm a. Dạng biểu đồ P-∆L Pch Pb P ∆L Hình 1.2 Quan hệ (P-∆L) v (s-e) khi kéo thép khi thí nghiệm Biểu đồ kéo các mẫu thực tế phù hợp với lý thuyết đã học, lực kéo của thép lớn, thép chịu kéo tốt. b. Nêu 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 chiếm < 2,06 % nên thép có tính dẻo cao nhưng độ cứng thấp. Giới hạn chảy và giới hạn bền và giới hạn đàn hồi của thép lớn. Khả năng chịu kéo, uốn lớn Cường độ chịu lực cao Công trình làm bằng thép có khả năng chịu tải khá lớn. Bài 2: THÍ NGHIỆM KÉO GANG 2.7 Kết quả thí nghiệm d0(mm) F0(mm2) Pb.k (kN) σb (MPa) 15 176,6 27,33 154,76 2.8 Nhận xét, giải thích kết quả thí nghiệm a. 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.Tuy vật liệu không có giai đoạn đàn hồi nhưng ta cũng có thể qui ước trong một giới hạn nào đấy và xem rằng ứng suất trong thanh chưa vượt quá giới hạn đó thì quan hệ giữa P và ∆L là tuyến tính. Giai đoạn 2: Mẫu đứt khi P đạt Pb mà không có giai đoạn chảy dẻo. Pb ∆L Hình 2.1 Quan hệ (P-∆L) và (s-e) khi kéo gang b. Nêu tính chất cơ học của gang (vật liệu giòn ); so sánh với tính chất cơ học của thép (vật liệu dẻo); Tính chất cơ học của gang (vật liệu giòn ): Do hàm lượng C trong gang chiếm > 2,1% nên gang có độ cứng cao nhưng độ dẻo thấp; tính giòn cao. Điểm nóng chảy thấp, độ chảy loãng tốt, tính đúc tốt, dễ gia công (nên giá thành gia công thấp), 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 với tính chất cơ học của thép (vật liệu dẻo) và 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 chúng. Điều này làm cho giữa chúng có 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 nhưng độ dẻo thấp; tính giòn cao. Hàm lượng C trong thép chiếm từ 0,02% ÷ 2,06% nên thép có tính dẻo cao nhưng độ cứng thấp. c. Trong xây dựng, người ta sử dụng thép hay gang? Tại sao? Trong xây dựng, người ta sử dụng thép, vì: Các tiêu chí của thép về tính dẻo cao, tính đàn hồi lớn, cường độ chịu lực cao phù hợp với các kết cấu chịu lực lớn trong các công trình xây dựng. Trọng lượng nhẹ hơn đa số kết cấu chịu lực khác. Hình dạng và kích thước tiết diện tương đối bé nên công trình thường có dáng dấp thanh mảnh, nhe nhàng. Có tính công nhiệp hóa cao: có thể sản xuất hoàn toàn trong nhà máy, vận chuyển, lắp ráp dễ dàng, nhanh chóng. Tính đồng chất cao; Tính chống thấm cao. Đối với gang: do độ dẻo thấp, tính giòn cao nên ít được sử dụng trong công trình xây dựng. Trong xây dựng, người ta thường chỉ dùng gang xám – có thành phần C ở dạng tự do. Còn gang trắng không nên dùng trong nhưng kết cấu tải trọng động, tải trọng lặp vì dễ bị phá hoại giòn. Bài 3: THÍ NGHIỆM NÉN THÉP 3.7 Kết quả thí nghiệm a. Kết quả h0 (mm) d0(mm) F0(mm2) Pc.n (kN) σc (MPa) 35 20 314 139,89 445,5 b.Dạng sau cùng của mẫu thử h Hình trụ (ban đầu) Hình trống (khi nén xong) 3.8 Nhận xét giải thích kết quả thí nghiệm a. Đánh giá kết quả thí nghiệm của vật liệu thép khi chịu nén Về cơ bản thì biểu đồ nén thép giống biểu đồ kéo thép ở giai đoạn đàn hồi và giai đoạn chảy dẻo; nhưng đối với giai đoạn củng cố đối của thí nghiệm nén người ta không xác định được giới hạn bền nén σbn, vì rằng lực nén càng tăng thì tiết diện ngang cũng tăng theo vì vậy ứng suất không tăng nên mẫu không bị phá hoại. P Pch Ptl ∆L Hình 3.1 Quan hệ (P-∆L) v (s-e) khi nén thép b. So sánh tính chất cơ học của thép khi chịu kéo và chịu nén Với thép ( vật liệu dẻo) σchn=σchk: cho thấy được thép ( vật liệu dẻo) làm việc như nhau khi kéo và nén. Với tính chất trên thép ( vật liệu dẻo) được sử dụng rộng rãi trong kết cấu chịu lực trong các công trình xây dựng( dàn, dầm, trụ, cột,...). Bài 4: THÍ NGHIỆM NÉN GANG 4.7 Kết quả thí nghiệm a.Giới hạn bền nén h0 (mm) d0(mm) F0(mm2) Pb.n (kN) σb (MPa) 30 30 706,5 231,58 327,8 b. Dạng phá hỏng của mẫu sau thí nghiệm Ban đầu Bị phá hoại 4.8 Nhận xét, giải thích kết quả thí nghiệm a.Trình bày tính chất cơ học của vật liệu gang Pb ∆L Hình 4.1 Quan hệ (P-∆L) v (s-e) khi nén gang Biểu đồ nén gang ( vật liêu giòn) cũng tương tự như biểu đồ kéo gang (vật liêu giòn). Khi nén, vật liệu giòn cũng không có giai đoạn đàn hồi và giai đoạn chảy dẻo. Biểu đồ là một đường con dốc ngay từ khi lực nén còn nhỏ. Tuy nhiên cũng có thể coi đó là một đường thẳng và tuân theo định luật Hooke. b. So sánh tính chất cơ học của gang và thép: Từ thí nghiệm trên, ta thấy tính dẻo, độ bền của thép vượt trội gang. Tuy nhiên trong một số giới hạn cụ thể ngươi ta có thể sử dụng gang hay thép.Ta có, σbn =327,8 (MPa) >> σbk = 154,76 (MPa): cho thấy gang ( vật liệu dòn) chịu nén tốt hơn chịu kéo và do đó chúng được sử dụng thích hợp trong các kết cấu nén. Bài 5: THÍ NGHIỆM UỐN THÉP XÂY DỰNG 5.6 Kết quả thí nghiệm: Trạng thái mẫu khi α = 900 : Mẫu vẫn nguyên vặn. Góc uốn lớn nhất : ≈1800 : Mẫu xuất hiện vết nứt. 5.7 Nhận xét và bàn luận : Do thép chịu uốn lớn nên trong xây dựng, người ta có thể bẻ cong từ một thanh thép thẳng thành một khung hình chữ nhật, hình tròn, chữ U, để phù hợp với mục đích sử dụng. Khả năng chịu uốn tốt, giúp cho khả năng chịu lực của thép tốt hơn. Bài 6: XÁC ĐỊNH MODULE ĐÀN HỒI CỦA THÉP 6.6 Kết quả thí nghiệm b (mm) h (mm) Ix (mm4) ∆Pi (N) di (mm) ∆fi (mm) Ei (Mpa) E (Mpa) 10 20 6 666,67 5 d0 = 0,0925 0,0925 17,30 .104 17,21 .104 5 d1 = 0,1845 0,0920 17,40 .104 5 d2 = 0,2795 0,0950 16,84.104 5 d3 = 0,3720 0,0925 17,30 .104 5 d4 = 0,4665 0,0945 16,93.104 5 d5 = 0,5580 0,0915 17,49 .104 6.7 Nhận xét kết quả thí nghiệm : a. Nhận xét độ lớn (trị số ) của kết quả tìm được : Module đàn hồi lý thuyết của thép là Elt= 20.1010 N/m2 Sai số giữa Elt và Etn là: ∆E% = Elt-EtnElt . 100% = 20.1010- 17,21.101020.1010 . 100% ≈ 13,95 % b. Giải thích nguyên nhân sai số - nếu có : Kết quả sai số quá lớn, cần phải thực hiện lại thí nghiệm.Nguyên nhân của sự sai số có thể là: Do sai sót chủ quan từ người thực hiện; có thể do dung cụ thực hiện thí nghiệm chưa chính xác; quá trình gia tải không đúng yêu cầu dẫn đến những xung lực làm thay đổi tính chất vật liệu c. Nêu ảnh hưởng của E trong cơ tính vật liệu: Trong SBVL, các phạm vi ứng dụng của E phụ thuộc vào định luật Hooke: khi biến dạng nằm trong vùng đàn hồi, ta có E= tan φ hoặc E = δzεz Khi E càng lớn thì độ biến dạng của vật liệu còn nhỏ, sức chịu tải của vật liệu càng lớn, khả năng làm việc của vật liệu càng lớn. Bài 7 : XÁC ĐỊNH MODULE CHỐNG TRƯỢT CỦA THÉP 7.1 Kết quả thí nghiệm LAB (mm) d0 (mm) a (mm) b (mm) Jp (mm4) Pi (N) Pi.b (N.mm) 400 30 150 300 79 481 5 1 500 dA,i (mm) ∆φA,i (rad) dB,i (mm) ∆φB,i (rad) ∆φAB,i (rad) Gi (MPa) G (MPa) dA,0 = 0,0205 1,367.10-4 dB,0 = 0,0065 0,433. 10-4 0,934. 10-4 80 824 80 868 dA,1 = 0,0375 1,130.10-4 dB,1 = 0,0095 0,200. 10-4 0,930. 10-4 81 172 dA,2 = 0,0555 1,200.10-4 dB,2 = 0,0135 0,267. 10-4 0,933. 10-4 80 911 dA,3 = 0,0775 1,476.10-4 dB,3 = 0,0215 0,533. 10-4 0,934. 10-4 80 824 dA,4 = 0,0965 1,267.10-4 dB,4 = 0,0265 0,330. 10-4 0,937. 10-4 80 565 dA,5 = 0,1120 1,033.10-4 dB,5 = 0,0280 0,100. 10-4 0,933. 10-4 80 911 7.7 Nhận xét , giải thích kết quả thí nghiệm a. Nhận xét độ lớn (trị số ) của kết quả tìm được : Các giá trị Gi ≈ 8.1010 N/m2, giá trị chênh lệch giữa các Gi nhìn chung là có thể chấp được. Module chống trượt lý thuyết của thép là Glt = 8.1010 N/m2 Sai số giữa Glt và Gtn là: ∆G% = Glt-GtnGlt . 100% = 8.1010- 8,0868.10108.1010 . 100% ≈ 1,09 % b. Giải thích nguyên nhân sai số - nếu có : Sai số tương đối nhỏ ≈ 1,09 % nên có thể chấp nhận được. Phụ lục: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM