Лабораторная работа № 3.

3.1. Испытание на кручение стального и чугунного образцов

Цель работы: изучить процесс разрушения стали и чугуна при кручении и определить их механические характеристики.

Оборудование и инструменты: испытательная машина КМ-50; образец стали и чугуна - 2 шт; штангенциркуль.

Теоретические предпосылки. Кручение осуществляется двумя равными и противоположно направленными крутящими моментами, которые прикладываются к концам образца в плоскостях, нормальных к его продольной оси.

Максимальные касательные напряжения при кручении действуют в плоскостях, перпендикулярных к оси образца, нормальные - под углом 45º. К ней. После разрушения от среза стали и отрыва чугуна получаются характерные формы излома (рис.3.1), по которым можно однозначно определить характер разрушения. Это объясняется тем, что чугун слабо сопротивляется растяжению, и разрушение материала происходит по винтовой поверхности, наклоненной под углом 45^о к образующей (рис. 3.1, б). Разрушение стали при кручении происходит от среза по поперечному сечению (рис.3.1, а).

а) б)

Рис 3.1

В области упругой деформации касательные напряжения для цилиндрического образца определяют по формуле:

_.

Формула дает хорошие результаты по упругой деформации и не пригодна при пластическом течении материала. Предел прочности после больших пластических деформаций определяется по формуле, учитывающей поправку на пластическую деформацию: _.

Деформация при кручении определяется углом закручивания, который в пределах упругих деформаций связан с нагрузкой, т.е. с крутящим моментом, линейной зависимостью ,

где М_кр - крутящий момент; l- длина вала; G - модуль упругости материала при сдвиге (модуль упругости второго рода); J_P - полярный момент инерции площади поперечного сечения вала, d - диаметр вала,

.

Указанная пропорциональность между нагрузкой и деформацией наблюдается в начальной стадии кручения образца, затем, так же как при растяжении или сжатии, пропорциональность нарушается и наступает быстрое увеличение утла закручивания при незначительном увеличении крутящего момента.

На рис. 3.2.а показана диаграмма кручения для малоуглеродистой стали, а на рис. 3.2.б - диаграмма для чугунного образца приблизительно тех же размеров (чугун не подчиняется закону пропорциональности).

Модуль G связан с модулем упругости первого рода Е следующим соотношением G = E/2(1+μ) , где μ - коэффициент Пуассона.

а) б)

Рис.3.2

Порядок проведения работы.

1. Сделать эскиз образца с указанием размеров его рабочей части.

2. Вычислить полярный момент сопротивления поперечного сечения образца:

3. Произвести наблюдения за процессом испытания стального и чугунного образцов, записать крутящие моменты и утлы закручивания, соответствующие моменту разрушения образцов.

4. Вычислить пределы прочности при кручении:

для стали ,

для чугуна .

5. Сделать зарисовку частей испытанных образцов с указанием характерных особенностей разрушения.

Содержание отчета.

1. Название и цель работы.

2. Теоретические предпосылки ( по желанию).

3. Эскиз образца до испытания и зарисовки частей испытанных образцов.

4. Таблицу опытных данных, расчеты момента сопротивления и пределов прочности.

5. Пояснение характера разрушения стали и чугуна.

6. Выводы по работе.

Материал образца	d, мм	Wp3, м3	МB , Кг·м	φB , град	τв , МПа	Характер разрушения
Сталь
Чугун

Контрольные вопросы:

1. Какие напряжения возникают в сечениях, расположенных перпендикулярно к оси образца и наклонных под углом 45º?

2. Как по характеру разрушения образца определить, какой вид напряжений наиболее опасен для данного материала?

3. Как определяется и от чего зависит деформация при кручении?

4. Что характеризует произведение GJ_P ?