Лабораторная работа №5
Испытание на кручение образцов из стали и чугунаЦель работы: Определение механических характеристик пластичных и хрупких материалов при кручении.
При кручении в поперечных сечениях стержня возникает крутящий момент Мк, обусловленный действием касательных напряжений τ (рис.5.1, а), которые определяют по формуле:
τ = Mk / JP · ρ (5.1)
где JP = π · d4 / 32 - полярный момент инерции сечения;d - диаметр сечения стержня;
ρ - расстояние от центра тяжести сечения до точки, в которой рассчитывается напряжение.
Эпюра касательных напряжений в поперечном сечении круглого стержня показана на рис. 5.1, б.
Максимальные касательные напряжения возникают на контуре сечения при ρ = ρmax = d / 2 :
τmax = Mk / Wp (5.2)
Здесь:
Wp = Jp / ρmax = π · d3 / 16 (5.3)
Касательные напряжения равны нулю на главных площадках, расположенных под углом 45° к оси стержня. На главных площадках возникают главные напряжения, по величине равные касательным (рис.5.2):
В зависимости от материала образца разрушение происходит в результате действия либо касательных, либо нормальных напряжений. Стальной образец срезается в поперечном сечении, где действуют касательные напряжения ρ. Чугун, слабо сопротивляющийся растяжению, разрушается в результате отрыва по винтовой поверхности, наклоненной под углом 45° к оси стержня, где действуют главные напряжения σ1.
Рис.5.1.a Рис.5.1.б Рис.5.2.
Предел прочности материала при кручении равен:
τB = Mmax / Wp (5.4)
где Mmax - максимальный крутящий момент при испытании, соответствующий разрушению образца.Предел текучести материала при кручении равен:
τT = MT / Wp (5.5)
где MT - крутящий момент, соответствующий площадке текучести на диаграмме кручения пластичного материала. Если площадка текучести отсутствует или выражена неявно, то определяют условный предел текучести. Мерой пластичности материала при кручении является величина относительного угла закручивания сечения до разрушения образца:ΘB = φB / l (5.6)
где φB - абсолютный угол закручивания сечения до разрушения образца.Испытание на кручение согласно ГОСТ 3565-71 проводится на испытательной машине КМ-50 с механическим типом привода, способной развить нагружающий момент до 50 кГм (500 Нм).
Стандартные образцы цилиндрической формы имеют размеры: диаметр d=10 мм, расчетную длину l=100 мм. Лабораторные образцы могут иметь другие размеры. Форма образца представлена на рис.5.3 (он имеет головки с квадратным сечением).
Рис.5.3
В результате проведения испытаний получают диаграмму кручения – график в координатах: крутящий момент Mk - угол закручивания образца φ. Для ее получения служит диаграммный аппарат испытательной машины. Масштабы диаграммы: по оси моментов μМ=0,333 кГм/мм=3,33 Нм/мм, по оси углов закручивания μφ= 0,4 град/мм. Примерные диаграммы кручения для стали и чугуна приведены на рис.5.4.
Величины крутящих моментов MB и MT, соответствующие пределу прочности и пределу текучести, определяются по шкале силоизмерительного устройства испытательной машины. Углы закручивания до разрушения образцов φB фиксируются на шкале углов закручивания.
Найденные величины крутящих моментов позволяют определить пределы прочности и текучести материалов по формулам (5.4) и (5.5).
Рис.5.4
5.3.1. Измерить расчетную длину l, диаметры образцов d, вычислить полярные моменты сопротивления сечений Wp. Результаты занести в таблицу 5.1 отчета (см. п. 5.4).
5.3.2. Установить образец в захваты испытательной машины, включить ее и довести образец до разрушения. При этом зафиксировать величину момента MT, соответствующего площадке текучести (для стального образца), величину максимального момента MB при разрушении образцов и величину максимального угла закручиваниия φB, а также получить диаграмму кручения. Результаты занести в таблицу5.2.
5.3.3. Зарисовать характер разрушения образцов.
5.3.4. Вычислить по формулам (5.4), (5.5), (5.6) предел текучести τТ (для стального образца), предел прочности τB и относительный угол закручивания ΘB. Результаты занести в таблицу 5.3.
5.3.5. Построить диаграммы кручения стального и чугунного образцов.
5.3.6.Оформить отчет по прилагаемой форме.
Испытание на кручение образцов из стали и чугуна
5.4.1. Цель работы:
5.4.2. Испытательная установка: испытательная машина ИК-50.
5.4.3. Форма, размеры и геометрические характеристики сечений образцов (рис.5.3).
Таблица 5.1
| Материал образца | Диаметр d(мм) |
Расчетная длина l(мм) |
Момент сопротивления сечения Wp(см3) |
| Сталь | |||
| Чугун |
Таблица 5.2
| Нагружения и деформации/ Материал образца |
MT (Нм) |
MB (Нм) |
φB (град) |
Характер разрушения образца |
| Сталь | ||||
| Чугун |
5.4.5. Вычисления:
Wp = π · d3 / 16 =
τT = MT / Wp =
τB = MB / Wp =
ΘB = φB / l =
Таблица 5.3
| Механические характеристики/ Материал образца |
Предел текучести τT (МПа) |
Предел прочности τB (МПа) |
Относительный угол закручивания ΘB (град/см) |
| Сталь | |||
| Чугун |
5.4.7. Выводы
Работу принял ___________________
"_____"_________20___г.
какие напряжения приводят к разрушению образцов из стали и чугуна при кручении;
какие механические характеристики и для какого материала определены в процессе испытаний;
что является характеристикой пластичности материала при кручении.
- Какие внутренние силовые факторы и напряжения возникают в поперечных сечениях стержня при кручении?
- В каких точках сечения возникают максимальные напряжения?
- Как определяются предел прочности и предел текучести материала при кручении?
- Чем объяснить различный характер разрушения стального и чугунного образцов?