SỨC BỀN VẬT LIỆU Mã số của chƣơng 2:MH 09-02 Giới thiệu: Trong chương 2 đối tượng nghiên cứu là vật rắn thực đó là vật rắn dùng để chế tạo lên các chi tiết, cụm máy vật dụng hay các công trình máy móc. Vật rắn này sẽ bị biến dạng và có thể bị phá hủy trong quá trình chịu lực. Do đó khi thiết kế, sử dụng các chi tiết, cụm máy vật dụng hay các công trình máy móc cần phải đảm bảo độ bền, độ ổn định và tính kinh tế. Để đáp ứng mục tiêu trên nội dung kiến thức chương học này đề cập tới những khái niệm cơ bản về sức bền vật liệu, phương pháp xác định nội lực, ứng suất và tính toán cho vật liệu trong các hình thức chịu lực cơ bản nhất đólà: kéo, nén đúng tâm, cắt, dập,xoắn thuần tuý,uốn thuần tuý thanh thẳng.
Mục tiêu: - Trình bày được các giả thuyế t về vâ ̣t liê ̣u và các khaí niê ̣m cơ bản về nô ̣i lực, ứng suất - Xác định được nô ̣i lực, ứng suất trên mặt cắt ngang và thiết lập được điều cường độ cho vật rắn chịu kéo, nén, cắt, dập, xoắn, uốn cơ bản; - Tuân thủ các quy định, quy phạm về sức bền vật liệu. Những khái niệm cơ bản về sức bền vật liệu 1.Nhiệm vụ và đối tƣợng nghiên cứu của sức bền vật liệu Nhiệm vụ của sức bền vật liệu lànghiên cứu các hình thức biến dạng của vật rắn thựcdưới tác dụng của lực từ đó đề ra phương pháp tính toán các chi tiết, máy móc, cấu kiện, công trình… phải đảm bảo đủ cường độ, đủ độ cứng và độ ổn định đồng thời phải đảm bảo hao phí vật liệu là ít nhất có nghĩa là phải đảm bảo các chỉ tiêu kĩ thuật và kinh tế. Các bộ phận công trình hay chi tiết máy có hình dạng rất khác nhau. Tuy nhiên, tuỳ theo kích thước của chúng trong không gian người ta chia chúng làm ba loại.
-Khối: Là vật thể có kích thước theo ba phương tương đương nhau. - Tấm và vỏ: là những vật thể có kích thước theo hai phương lớn hơn rất nhiều so với phương còn lại. - Thanh: là những vật thể có kích thước theo một phương lớn hơn rất nhiều so với hai phương còn lại. Đối tượng nghiên cứu của sức bền vật liệu là vật rắn thực dưới dạng thanh, hình dạng của thanh được biểu thị bằng đường trục và mặt cắt vuông góc với đường trục của thanh (hình 2.
Các giả thuyết về vật liệu 1. Giả thuyết về sự liên tục, đồng tính, đẳng hƣớng - Sự liên tục của vật liệu:Coi như trong toàn bộ thể tích của vật thể đều được phủ đầy vật liệu (không có khe hở) - Sự đồng tính: Coi như vật liệu ở mọi nơi trong vật thể đều có tính chất như nhau. - Sự đẳng hướng: Coi như theo mọi hướng tính chất của vật liệu là như nhau. Giả thuyết về sự đàn hồi của vật liệu Dưới tác dụng của ngoại lực, hình dạng và kích thước của vật thể sẽ bị thay đổi, ta nói vật thể bị biến dạng.
Khi thôi không tác dụng lực thì vật thể có xu hướng hồi phục hình dạng, kích thước. Sự hồi phục đó gọi là được gọi là đàn hồi. Mức độ hồi phục phụ thuộc vào tính chất và giá trị của nguyên nhân tác động, bản chất và khả năng chịu lực của vật liệu. Có hai dạng đàn hồi của vật liệu - Đàn hồi hoàn toàn: là trường hợp khi chịu lực tác dụng vật thể sẽ bị biến dạng nhưng khi thôi không tác dụng lực thì vật thể trở lại hình dạng và kích thước ban đầu.
- Đàn hồi không hoàn toàn: là trường hợp khi chịu lực tác dụng vật thể sẽ bị biến dạng nhưng khi thôi không tác dụng lực thì vật thể chỉ có khả năng khôi phục lại một phần hình dạng và kích thước phần biến dạng còn lại được gọi là biến dạng dư. Trong thực tế thì khi chịu tác dụng của lực không có vật thể vật thể nào biến dạng đàn hồi hoàn toàn. Xong để đơn giản cho việc tính toán nếu lực tác dụng không vượt quá một giá trị nhất định biến dạng của vật thể là rất nhỏ, khi đó ta cố thể coi như vật có tính biến dạng đàn hồi hoàn toàn. Giả thuyết về quan hệ bậc nhất giữa biến dạng và lực tác dụng (Định luật Húc) Định luật Húc: Trong phạm vi biến dạng đàn hồi của vật liệu nếu lực tác dụng lên vật thể không vượt quá một trị số giới hạn thì biến dạng của vật thể được xem là tỷ lệthuận với trị số của lực gây ra biến dạng đó.
Nguyên lý độc lập tác dụng 64 Kết quả gây ra do một hệ lực tác dụng thì bằng tổng các kết quả gây ra do từng lực thuộc hệ tác dụng một cách riêng rẽ.3 độ võng y của dầm AB là kết quả tác dụng của hệ ( 𝑃1 , 𝑃2 ), độ võng y1 là kết quả tác dụng của lực 𝑃1 , độ võng y2 là kết quả tác dụng của lực 𝑃2 Theo nguyên lý trên thì: y = y1 + y2 1. Ngoại lực và nội lực 1. Ngoại lực Ngoại lực là lực từ những vật thể khác hoặc môi trường xung quanh tác dụng vào vật thể mà ta đang khảo sát. Ngoại lực bao gồm lực tác động (tải trọng) và phản lực liên kết.
- Theo cách tác dụng của tải trọng ta chia ra: + Lực tập trung: là lực tác dụng lên vật thể với diện tích truyền lực rất nhỏ so với kích thước của vật; + Lực phân bố:làlực tác dụng liên tục trên một đoạn chiều dài hay trên một diện tích bề mặt của vật thểđược gọi là lực phân bố. - Theo tính chất tác dụng của tải trọng thay đổi theo thời gian ta chia ra: + Tải trọng tĩnh: là tải trọng có trị số tăng dần từ 0 đến một giá trị nhất định và sau đó không thay đổi. + Tải trọng động:là những lực có trịsố và phương chiều thay đổi trong khoảng thời gian.Nội lực Trong vật thể, gữa các phần tử cấu tạo lên vật có các lực liên kết để giữ cho vật có một hình dạng nhất định. Khi có ngoại lực tác dụng, lực liên kết đó sẽ tăng lên để chống lại biến dạng do ngoại lực gây ra.
Phần lực liên kết tăng thêm đóđược gọi là nội lực. Như vậy:Nội lực là độ tăng của lực liên kết giữa các phần tử cấu tạo lên vật khi vật bị biến dạng. Ngoại lực là lực chủ động, nội lực là lực bị động và do ngoại lực sinh ra, khi không có ngoại lực tác động thì nội lực bằng không, khi ngoại lực tăng thì nội lực tăng và ngược lại nhưng khi ngoại lực tăng tới một giá trị giới hạn nào đó thì nội lực đạt giá trị cực đại, nếu tiếp tục tăng ngoại lực vật thể bị phá hỏng. 65 Để xác định nội lực tại trong vật thể ta dùng phương pháp mặt cắt.
Xét một vật thể ở trạng thái cân bằng dưới tác dụng của các lực như hình vẽ 2. P1 P4 P1 S S P2 Pn-1 N A B P2 A P3 Pn P3 Q Hình 2.4 Vật chịu tác dụng của hệ lực (𝑃1 , 𝑃2 , ., 𝑃𝑛 ) theo khái niệm về nội lực thì bên trong vật sẽ xuất hiện nội lực. Để xác định nội lực ta tưởng tượng ra mặt phẳng (Q) cắt vật thể ra làm hai phần A và B, giao giữa mặt phẳng (Q) và vật là một hình phẳng (S). Ta xét riêng một phần nào đó, giả sử xét phần A Phần A chịu tác dụng của ngoại lực (𝑃1 , 𝑃2 , 𝑃3 ), để phần A cân bằng như khi ta chưa cắt vật thì trên mặt cắt của vật ta phải đặt vào một hệ lực phân bố đây chính là lực liên kết mà phần B tác động lên phần A, hợp hệ lực phân bố ta được một lực 𝑁 nào đó đó chính là nội lực trên mặt cắt (S) của vật.
Vì phần A cân bằng do đó ta dùng phương trình cân bằng tĩnh học để xác định giá trị nội lực𝑁 𝑋 = 0 => NX =𝑃𝑋1 + 𝑃𝑋2 + 𝑃𝑋3 𝑌 = 0 => NY = 𝑃𝑌1 + 𝑃𝑌2 + 𝑃𝑌3 Tổng quát: NX = 𝑃𝑋 NY = 𝑃𝑌 Giải các phương trình trên ta tìm được nội lực 𝑁. Tương tự ta cũng có thể xét phần B như trên nhưng khi đó nội trên mặt cắt chính là lực liên kết mà phần A tác động lên phần B do đó nội lực cùng trị số, cùng phương nhưng ngược chiều với nội lực trên mặt cắt như khi ta xét phần A.Ứng suất Nội lực là một hệ lực phân bố liên tục trên ∆𝐹 mặt cắt cho phép ta xác định nội lực trên một đơn vị diện tích mặt cắt. Nội lực trên một σ đơn vị diện tích mặt cắt được gọi là ứng xuất. K Để xác định ứng xuất tại một điểm K bất kỳ nào đó trên mặt cắt (Hình 2.
Ta lấy một p diện tích ∆𝐹 vô cùng nhỏ bao quanh điểm K, vì ∆𝐹 vô cùng nhỏ coi như nội lực ∆𝑁 trên ∆𝐹 là phân bố đều.5 66 ∆𝑁 Khi đó tỉ số = 𝑝𝑡𝑏 được gọi là ứng suất trung bình của điểm K ∆𝐹 ∆𝑁 lim∆𝐹→0 = 𝑝 được gọi là ứng suất thực của điểm K , 𝑝 cùng phương với ∆𝐹 nội lực. Đơn vị tính ứng suất là: N/m2, các bội số của đơn vị tính ứng suất là: kN/m2; MN/m2. Để đơn giản cho việc tính toán ứng suất được phân tích ra làm hai thành phần: - Thành phần vuông góc với mặt cắt được gọi là ứng suất pháp ký hiệu là 𝜍 - Thành phần tiếp tuyến với mặt cắt được gọi là ứng suất tiếp ký hiệu là 𝜏 Khi đó: 𝑝 = 𝜍 + 𝜏 (2-1) Về mặt trị số: p = 𝜍 2 + 𝜏2 1.Ứng suất cho phép – Hệ số an toàn 1. Tính chất cơ học của vật liệu Để xác định tính chất cơ học của vật liệu người ta tiến hành thử các mẫu vật liệu với các hình thức chịu lực khác nhau cho đến khi bị phá hỏng.
Kết quả thử nghiệm được ghi lại bằng số liệu, biểu đồ quan hệ giữa lực tác dụng và biến dạng của mẫu thử qua đó đưa ra những nhận xét đánh giá. P P Pb D Pb D Pđ E Pch B Pch B C C Ptl A Ptl A O O ∆𝑙 ∆𝑙 a. Kéo vật liệu dẻo b. Nén vật liệu dẻo P P Pb A Pb A O O ∆𝑙 ∆𝑙 c.
Kéo vật liệu giòn d. Nén vật liệu giòn Hình 2.