Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Sức bền vật liệu – Đề 3

Hiện tượng mất ổn định của cột chịu nén dọc trục (còn gọi là oằn, lún) là sự mất khả năng giữ hình dạng thẳng ban đầu dưới tác dụng của tải trọng nén, dẫn đến biến dạng lớn và có thể gây phá hủy công trình. Chảy dẻo và đứt gãy là các dạng phá hủy khác. Mỏi là phá hủy do tải trọng lặp lại.

Trục chịu xoắn chủ yếu chịu ứng suất tiếp do mô men xoắn gây ra. Do đó, độ bền cắt của vật liệu là yếu tố quan trọng nhất để đảm bảo độ bền của trục chịu xoắn. Độ bền kéo và độ bền chảy quan trọng cho các trường hợp chịu kéo, nén, uốn. Độ cứng liên quan đến khả năng chống biến dạng, cũng quan trọng nhưng thứ yếu so với độ bền cắt trong trường hợp xoắn.

Ứng suất dư là ứng suất tồn tại trong vật liệu ngay cả khi không có tải trọng bên ngoài, thường phát sinh trong quá trình chế tạo (gia công, hàn, nhiệt luyện...). Ứng suất dư có thể gây ra nhiều hậu quả tiêu cực như giảm độ bền mỏi, gây nứt, cong vênh, làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu.

Giai đoạn đàn hồi là giai đoạn đầu của thí nghiệm kéo, tuân theo định luật Hooke, ứng suất tỉ lệ tuyến tính với biến dạng. Khi vượt quá giới hạn đàn hồi, vật liệu sẽ bước vào giai đoạn chảy dẻo và quan hệ tuyến tính không còn đúng.

Độ bền chảy là ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo (biến dạng không hồi phục). Nó thể hiện khả năng chống lại biến dạng dẻo của vật liệu. Độ bền kéo là khả năng chịu lực kéo tối đa trước khi đứt. Độ cứng là khả năng chống lại sự xâm nhập của vật khác. Độ dẻo là khả năng biến dạng dẻo lớn trước khi phá hủy.

Mô men quán tính diện tích (I) là một đặc trưng hình học của tiết diện, thể hiện khả năng chống lại sự uốn cong của tiết diện đó. Tiết diện có mô men quán tính diện tích lớn sẽ có khả năng chịu uốn tốt hơn.

Đồng hồ đo biến dạng (strain gauge) là thiết bị chuyên dụng để đo biến dạng (độ giãn dài hoặc co ngắn) rất nhỏ trên bề mặt vật liệu. Panme và thước đo chiều dài có độ chính xác thấp hơn và thường dùng để đo kích thước hình học. Cân cơ học đo khối lượng, không phải biến dạng.

Hiện tượng chảy dẻo bắt đầu khi ứng suất tác dụng lên vật liệu vượt quá giới hạn đàn hồi của nó. Tại thời điểm này, vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh viễn). Độ bền kéo là ứng suất tối đa vật liệu chịu được trước khi đứt. Biến dạng vượt quá giới hạn đàn hồi là hệ quả của việc ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi.

Điều kiện bền khi kéo (hoặc nén) đúng tâm là ứng suất pháp lớn nhất (σ_max) phát sinh trong vật liệu không được vượt quá ứng suất cho phép ([σ]). Trong trường hợp kéo nén đúng tâm, chỉ có ứng suất pháp, không có ứng suất tiếp đáng kể. Các điều kiện bền khác liên quan đến ứng suất tiếp hoặc kết hợp ứng suất pháp và tiếp.

Độ bền của vật liệu là khả năng vật liệu chống lại sự phá hủy dưới tác dụng của tải trọng, bao gồm cả tải trọng tĩnh và tải trọng động. Các lựa chọn khác chỉ đề cập đến một khía cạnh của độ bền hoặc một tính chất khác của vật liệu.

Độ mảnh của cột (tỷ số giữa chiều dài tính toán và bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện) càng lớn, cột càng dễ bị mất ổn định (oằn) dưới tác dụng của tải trọng nén, do đó khả năng chịu lực của cột càng giảm. Cột mảnh dễ bị phá hủy do mất ổn định hơn là do chảy dẻo hay đứt gãy vật liệu.

Hệ số an toàn (n) luôn được chọn lớn hơn 1 để đảm bảo kết cấu làm việc an toàn, có dự trữ về độ bền. Hệ số an toàn учитывает các yếu tố không chắc chắn như sai số trong tính toán, sự không đồng nhất của vật liệu, tải trọng vượt quá dự kiến, v.v.

Hệ số Poisson (ν) là tỷ số giữa biến dạng ngang (ε_ngang) và biến dạng dọc (ε_dọc) khi vật liệu chịu kéo hoặc nén dọc trục. ν = -ε_ngang / ε_dọc. Dấu âm thể hiện biến dạng ngang và dọc có dấu ngược nhau (kéo dọc gây co ngang và ngược lại).

Mô men quán tính diện tích (I) tỉ lệ với lập phương chiều cao (h^3) và tỉ lệ bậc nhất với chiều rộng (b) của tiết diện (ví dụ, cho tiết diện chữ nhật I = bh^3/12). Do đó, tăng chiều cao mặt cắt ngang có tác dụng tăng mô men quán tính diện tích và khả năng chịu uốn lớn hơn nhiều so với việc tăng chiều rộng hoặc diện tích mặt cắt ngang nói chung. Giảm chiều dài dầm không trực tiếp tăng khả năng chịu uốn của tiết diện.

Độ bền cắt của vật liệu là khả năng vật liệu chống lại sự phá hủy do ứng suất tiếp (ứng suất trượt). Ứng suất tiếp tác dụng song song với mặt cắt. Ứng suất pháp tác dụng vuông góc với mặt cắt. Ứng suất uốn và nén là các dạng của ứng suất pháp.

Trong công thức ứng suất uốn σ = My/I, 'y' là khoảng cách từ trục trung hòa của tiết diện đến điểm mà ta đang xét ứng suất. Ứng suất uốn phân bố tuyến tính theo 'y', đạt giá trị lớn nhất ở mép ngoài (y lớn nhất) và bằng không tại trục trung hòa (y = 0).

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một phương pháp số mạnh mẽ để giải các bài toán cơ học kết cấu phức tạp. Nó được sử dụng để phân tích ứng suất, biến dạng, chuyển vị trong kết cấu có hình dạng phức tạp, điều kiện biên phức tạp, và vật liệu phi tuyến. Các lựa chọn khác liên quan đến xác định tính chất vật liệu, không phải mục tiêu chính của FEM trong bài toán kết cấu.

Ứng suất cho phép là giá trị ứng suất lớn nhất mà vật liệu được phép chịu trong quá trình làm việc, để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của kết cấu. Nó luôn được chọn nhỏ hơn độ bền vật liệu (thường là độ bền chảy hoặc độ bền kéo, chia cho hệ số an toàn) để có dự trữ an toàn.

Công thức σ = P/A là công thức tính ứng suất pháp trung bình trên mặt cắt ngang của thanh chịu kéo (hoặc nén) dọc trục, trong đó P là lực dọc trục và A là diện tích mặt cắt ngang. Các công thức khác liên quan đến ứng suất uốn (σ = My/I), ứng suất xoắn (τ = Tρ/J), và ứng suất tiếp do cắt ngang (τ = VQ/Ib).

Mô đun đàn hồi (E) hay còn gọi là mô đun Young, đặc trưng cho độ cứng vững của vật liệu trong vùng đàn hồi khi chịu kéo hoặc nén. Ứng suất là nội lực trên một đơn vị diện tích. Biến dạng là sự thay đổi hình dạng kích thước. Hệ số Poisson là tỷ số giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc.

Creep (bò) là hiện tượng biến dạng dẻo chậm và liên tục xảy ra theo thời gian khi vật liệu chịu ứng suất không đổi, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Đây là hiện tượng quan trọng trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao như lò hơi, tuabin khí.

Ứng suất nhiệt phát sinh khi vật liệu bị thay đổi nhiệt độ và sự biến dạng nhiệt của nó bị cản trở (ví dụ, do liên kết cứng hoặc do sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa các vật liệu khác nhau). Tải trọng cơ học gây ra ứng suất cơ học. Ứng suất dư là ứng suất tồn tại trong vật liệu ngay cả khi không có tải trọng bên ngoài.

Công thức σ = Eε là biểu thức toán học của định luật Hooke cho vật liệu đàn hồi tuyến tính, trong đó σ là ứng suất, E là mô đun đàn hồi và ε là biến dạng. τ = Gγ là công thức liên hệ ứng suất tiếp và biến dạng góc, cũng là một dạng của định luật Hooke cho trường hợp cắt.

Vòng tròn Mohr là một công cụ đồ họa trong sức bền vật liệu, được sử dụng để biểu diễn trạng thái ứng suất tại một điểm và xác định các ứng suất chính (ứng suất pháp cực trị) và ứng suất tiếp cực đại, cũng như ứng suất trên các mặt cắt nghiêng bất kỳ.

Ứng suất chính là các ứng suất pháp cực trị (lớn nhất và nhỏ nhất) xuất hiện trên các mặt phẳng chính, là các mặt phẳng mà ứng suất tiếp bằng không. Trong trạng thái ứng suất phẳng, ta xét trên mặt phẳng 2D.

Đối với vật liệu dẻo (như thép), tiêu chuẩn bền năng lượng biến dạng hình dạng (hay tiêu chuẩn von Mises) thường được sử dụng rộng rãi và cho kết quả chính xác hơn trong việc dự đoán sự chảy dẻo dưới trạng thái ứng suất phức tạp. Tiêu chuẩn Tresca cũng được dùng nhưng thường cho kết quả an toàn hơn (bảo thủ hơn). Tiêu chuẩn ứng suất pháp lớn nhất và Coulomb-Mohr thường phù hợp hơn cho vật liệu giòn.

Trong xoắn thuần túy thanh tròn, ứng suất tiếp phân bố tuyến tính theo bán kính, đạt giá trị lớn nhất tại mép ngoài (bề mặt) của tiết diện và bằng không tại tâm tiết diện. Trục trung hòa trong xoắn trùng với trục dọc của thanh.

Trong uốn thuần túy, chỉ có mô men uốn tác dụng, không có lực cắt ngang. Do đó, ứng suất tiếp trên mặt cắt ngang bằng không. Ứng suất pháp do uốn phân bố tuyến tính theo chiều cao mặt cắt, đạt giá trị lớn nhất ở mép ngoài và bằng không tại trục trung hòa.

Độ bền chảy tĩnh chủ yếu liên quan đến khả năng chịu tải trọng tĩnh. Độ bền mỏi phụ thuộc vào các yếu tố liên quan đến chu kỳ tải trọng như ứng suất trung bình, biên độ ứng suất, tần số tải, hình dạng chi tiết (tập trung ứng suất), môi trường làm việc, v.v. Mặc dù độ bền chảy có thể liên quan gián tiếp, nhưng không phải là yếu tố trực tiếp quyết định độ bền mỏi.

Độ bền mỏi là khả năng của vật liệu chống lại sự phá hủy dưới tác dụng của tải trọng lặp lại (tải trọng chu kỳ). Vật liệu có thể bị phá hủy do mỏi ngay cả khi ứng suất tác dụng nhỏ hơn nhiều so với độ bền tĩnh của nó.