Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Sức bền vật liệu – Đề 4

Mỏi (fatigue) vật liệu là hiện tượng suy giảm độ bền và phá hủy xảy ra do tác dụng của tải trọng chu kỳ (cyclic loading) hoặc tải trọng thay đổi theo thời gian. Tải trọng tĩnh là không đổi, tải trọng va đập là tác dụng nhanh và mạnh, tải trọng tập trung là tác dụng tại một điểm.

Ứng suất dư (residual stress), đặc biệt là ứng suất kéo dư, có thể gây ra tác hại như gây nứt tế vi (micro-cracking) và giảm độ bền, đặc biệt là độ bền mỏi và độ bền ăn mòn. Trong một số trường hợp ứng suất nén dư có thể có lợi, nhưng ứng suất kéo dư thường có hại. Các lựa chọn khác mô tả các tác dụng ngược lại.

Công thức tính ứng suất pháp tuyến (normal stress - σ) là σ = F/A, trong đó F là lực pháp tuyến và A là diện tích mặt cắt ngang vuông góc với lực. τ = F/A là công thức ứng suất tiếp, ε = ΔL/L là công thức biến dạng, và G = τ/γ là công thức môđun trượt.

Tôi bề mặt (surface hardening) là phương pháp nhiệt luyện thường được sử dụng để tăng độ cứng bề mặt của thép, tạo lớp bề mặt cứng và chống mài mòn trong khi vẫn giữ được độ dai của lõi. Ủ và thường hóa làm mềm thép, ram thường giảm độ cứng sau khi tôi.

Ứng suất cho phép (allowable stress) là ứng suất thiết kế tối đa mà kỹ sư cho phép vật liệu chịu đựng trong kết cấu, thường được xác định bằng cách chia giới hạn chảy hoặc giới hạn bền cho hệ số an toàn. Các lựa chọn khác mô tả các loại ứng suất hoặc tính chất vật liệu khác nhau.

Thông thường, độ bền của vật liệu (đặc biệt là kim loại) thường giảm khi nhiệt độ tăng cao. Nhiệt độ cao làm giảm liên kết giữa các nguyên tử và phân tử, dẫn đến giảm độ bền. Tuy nhiên, có một số trường hợp đặc biệt độ bền có thể tăng trong một khoảng nhiệt độ nhất định, nhưng xu hướng chung là giảm.

Giới hạn chảy (Yield Point) trên đường cong ứng suất - biến dạng đánh dấu sự bắt đầu của biến dạng dẻo. Sau điểm này, vật liệu sẽ biến dạng vĩnh viễn ngay cả khi giảm tải. Giới hạn bền kéo là ứng suất lớn nhất, điểm đứt gãy là khi vật liệu bị phá hủy, và điểm tỷ lệ là giới hạn mà định luật Hooke còn đúng.

Trong phương pháp đo biến dạng bằng điện trở, ảnh hưởng của nhiệt độ (temperature effect) thường là nguồn sai số lớn nhất. Sự thay đổi nhiệt độ có thể làm thay đổi điện trở của cảm biến biến dạng, gây ra sai số trong phép đo. Các yếu tố khác cũng gây sai số nhưng ảnh hưởng nhiệt độ thường đáng kể hơn.

Giả thiết 'mặt cắt phẳng vẫn phẳng sau biến dạng' (plane sections remain plane) là một giả thiết cơ bản trong lý thuyết dầm chịu uốn (beam bending theory). Giả thiết này cho phép đơn giản hóa việc phân tích ứng suất và biến dạng trong dầm. Đối với dây cáp, tấm mỏng và vỏ trụ, giả thiết này có thể không còn chính xác hoặc cần được điều chỉnh.

Độ dai (toughness) là khả năng vật liệu hấp thụ năng lượng khi biến dạng dẻo trước khi bị phá hủy. Nó là sự kết hợp của độ bền và độ dẻo. Độ cứng là khả năng chống biến dạng, độ bền là khả năng chịu lực, và độ dẻo là khả năng biến dạng dẻo nhưng không nhất thiết liên quan đến năng lượng hấp thụ.

Ứng suất cắt (shear stress) xuất hiện khi có lực tác dụng song song với mặt cắt ngang của vật liệu, gây ra xu hướng trượt giữa các phần của vật liệu. Lực kéo và nén gây ra ứng suất pháp tuyến, lực vuông góc cũng gây ra ứng suất pháp tuyến.

Đơn vị phổ biến của ứng suất trong hệ SI là Pascal (Pa), tương đương Newton trên mét vuông (N/m²). Newton là đơn vị lực, mét vuông là đơn vị diện tích, và Joule là đơn vị năng lượng.

Giới hạn bền kéo (Ultimate Tensile Strength - UTS) là ứng suất kéo lớn nhất mà vật liệu có thể chịu được trước khi bắt đầu hình thành cổ chai và cuối cùng là bị phá hủy khi kéo. Giới hạn chảy là ứng suất bắt đầu biến dạng dẻo, độ cứng là khả năng chống biến dạng, và chảy dẻo hoàn toàn là trạng thái sau giới hạn bền kéo.

Hệ số an toàn (factor of safety) được sử dụng trong thiết kế để đảm bảo rằng kết cấu có đủ khả năng chịu lực và không bị phá hủy hoặc hỏng hóc trong điều kiện làm việc thực tế, bao gồm cả các yếu tố không chắc chắn về tải trọng, vật liệu và phương pháp phân tích. Các lựa chọn khác không phải là mục đích chính của hệ số an toàn.

Mô men quán tính diện tích (area moment of inertia) là một đại lượng hình học đặc trưng cho khả năng chống uốn (bending resistance) của mặt cắt ngang. Mặt cắt có mô men quán tính diện tích lớn sẽ chống uốn tốt hơn. Diện tích mặt cắt chỉ là diện tích, độ bền là tính chất vật liệu, và trọng lượng riêng là khối lượng trên đơn vị thể tích.

Đối với trục truyền động (drive shafts), độ bền xoắn (torsional strength) thường là yếu tố quan trọng nhất cần xem xét về sức bền, vì trục truyền động chủ yếu chịu mô men xoắn để truyền công suất. Các loại độ bền khác như kéo, uốn, nén cũng có thể quan trọng trong các ứng dụng khác nhau, nhưng độ bền xoắn là yếu tố chính cho trục truyền động.

Định luật Hooke chỉ đúng trong phạm vi đàn hồi (elastic range) của vật liệu, nơi mà ứng suất tỉ lệ thuận với biến dạng. Ngoài phạm vi này, vật liệu có thể biến dạng dẻo hoặc bị phá hủy.

Thử nghiệm kéo (tensile testing) là một thử nghiệm phá hủy (destructive testing) vì mẫu vật bị phá hủy hoàn toàn trong quá trình thử nghiệm để xác định các tính chất cơ học. Các phương pháp thử nghiệm khác như siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, và từ tính là các phương pháp không phá hủy (non-destructive testing - NDT), cho phép kiểm tra vật liệu mà không gây phá hủy.

Điểm khác biệt chính giữa vật liệu dẻo và vật liệu giòn là khả năng biến dạng dẻo trước khi phá hủy. Vật liệu dẻo biến dạng dẻo đáng kể trước khi gãy, trong khi vật liệu giòn phá hủy đột ngột với biến dạng dẻo rất nhỏ. Độ cứng, giới hạn bền kéo và khả năng chịu nhiệt không phải là tiêu chí phân biệt chính giữa dẻo và giòn.

Mô men quán tính cực (polar moment of inertia) là đại lượng hình học đặc trưng cho độ cứng chống xoắn (torsional stiffness) của mặt cắt ngang, đặc biệt là mặt cắt tròn. Mô men quán tính diện tích liên quan đến khả năng chống uốn, mô đun đàn hồi Young và mô đun trượt là tính chất vật liệu.

Hiện tượng mất ổn định (buckling) thường xảy ra với các cấu kiện chịu lực nén (compressive load) có chiều dài lớn so với kích thước mặt cắt ngang, như cột. Cấu kiện chịu kéo thường không bị buckling, chịu cắt và uốn có thể gây ra các dạng phá hủy khác.

Hệ số Poisson (Poisson's ratio) được định nghĩa là tỷ số giữa biến dạng ngang (lateral strain) và biến dạng dọc (axial strain) khi vật liệu chịu ứng suất dọc trục. Nó thể hiện mức độ vật liệu bị co lại theo phương ngang khi bị kéo hoặc giãn theo phương dọc.

Ứng suất (stress) được định nghĩa là nội lực (lực bên trong vật liệu) tác dụng trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang. Các lựa chọn khác như biến dạng, mô men, và lực cắt là các khái niệm khác trong sức bền vật liệu.

Creep (bò) là hiện tượng biến dạng chậm và liên tục của vật liệu dưới tác dụng của ứng suất không đổi trong thời gian dài, và hiện tượng này trở nên mạnh mẽ hơn ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ thấp làm giảm creep, ứng suất thấp giảm tốc độ creep, và tải trọng chu kỳ nhanh gây mỏi, không phải creep.

Trong xoắn thuần túy thanh tròn, ứng suất cắt có giá trị lớn nhất ở bề mặt ngoài của thanh và bằng 0 ở tâm mặt cắt. Ứng suất cắt phân bố tuyến tính theo bán kính từ tâm ra bề mặt.

Trong uốn thuần túy, ứng suất pháp tuyến có giá trị lớn nhất ở thớ trên và thớ dưới cùng của mặt cắt ngang dầm, và bằng 0 tại trục trung hòa. Trục trung hòa là nơi không có ứng suất pháp tuyến do uốn.

Môđun đàn hồi Young (Young's modulus) là một thước đo độ cứng (stiffness) của vật liệu, thể hiện khả năng chống lại biến dạng đàn hồi khi chịu lực kéo hoặc nén. Độ bền kéo là khả năng chịu lực phá hủy, độ dẻo là khả năng biến dạng dẻo, và độ dai liên quan đến năng lượng hấp thụ trước khi gãy.

Biến dạng (strain) là đại lượng mô tả sự thay đổi hình dạng hoặc kích thước của vật liệu khi chịu lực. Ứng suất là nội lực trên đơn vị diện tích, độ cứng và độ bền là các tính chất vật liệu khác.

Ứng suất kéo (tensile stress) xuất hiện khi vật liệu bị kéo giãn, làm tăng chiều dài của nó. Ứng suất nén xuất hiện khi vật liệu bị ép lại, ứng suất cắt khi có lực tác dụng song song với mặt cắt, và ứng suất uốn khi có mô men uốn.

Tiêu chí bền thứ tư (von Mises criterion) thường được sử dụng để đánh giá trạng thái bền của vật liệu dẻo (ductile materials) chịu trạng thái ứng suất phức tạp. Các tiêu chí bền khác có thể phù hợp hơn cho vật liệu giòn, composite hoặc trong các điều kiện ứng suất khác nhau.