Лабораторные работы / Лаба Сопромат 4 - Испытание цилиндрического образца на кручение до его разрушения

_{МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ}

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Озерский технологический институт – филиал НИЯУ МИФИ

Кафедра: ТМ и МАХП

Лабораторная работа № 4

По дисциплине «Сопротивление материалов»

Тема: "Испытание цилиндрического образца

на кручение до его разрушения".

Выполнили студенты группы	1ТМ-16Д		Кузнецов В. А.
			Петухов И. С.
			Рючин А. Ю.
			Сергеев П. С.
Проверил			Друца А. В.

Озёрск

2017

Цель работы: изучение характера деформации и разрушения, определение механических характеристик материалов на скручивание, сравнение теоретических и экспериментальных параметров.

Приборы и оборудование:

Испытательная машина К-50 (рисунок 1.).

Испытываемый об-разец 19 закрепляется в захватах 6 и 7 испыта-тельной машины. От электродвигателя 1 или вручную съёмной руко-яткой 8 через редуктор 16 и червячный редуктор 2 приводится во враще-ние вал 3. Через зубча-тую передачу 4-5 враще-ние передаётся левому захвату 6, который может перемещаться, чтобы установить нужное расстояние между захватами. Ось захвата 7 жёстко связана с маятником 10, отклонение которого пропорционально величине скручивающего момента. Через тягу 9 отклонение маятника передаётся на зубчатую рейку 11 указателя крутящего момента 12 и к самописцу диаграммного аппарата 14. Рейка 11, закрепляясь с колесом круговой шкалы 12, передаёт вращение стрелке указателя. Для измерения больших углов закручивания на машине со стороны электродвигателя установлен угломер 18, получающий вращение от главного привода через редуктор 17, с корригирующим приспособлением, вычитающим угол поворота пассивного захвата.

Прецизионный штангенциркуль завода "Калибр" (рисунок 2.).

Прецизионный штан-генциркуль состоит из штанги 1 с губками 7 и 8. На штанге нанесены деления. По штанге 1 может передви-гаться рамка 4 с губками 6 и 9. К рамке привинчен нони-ус 5. Для грубых измерений передвигают рамку 4 по штанге 1 и после закрепле-ния винтом 10 производят отсчет. Для точных измерений пользуются микрометрической подачей рамки, состоящей из винта 2, гайки 3, движка 12 и винта 11. Зажав винт 11 движка, вращением гайки 3 подают рамку 4 до плотного прилегания губок б и 7 или 8 и 9 к измеряемой детали, после чего производят отсчет.

Губки 6 и 7 служат для наружных и внутренних измерений. При измерении внутренних размеров к полученным показаниям прибавляют толщину губок, которая маркирована на них. Губки 8 и 9 служат для разметки и наружных измерений.

Ход работы:

1. Замерим начальные диаметр и длину расчётной части исследуемого образца с помощью штангенциркуля.

;

.

2. Произведём кручение образца до разрыва на К-50 с получением диаграммы крутящий момент — угол закручивания на миллиметровой бумаге. Также определим в момент разрыва максимальный крутящий момент и угол закручивания.

;

.

3. Замерим диаметр и длину расчётной части исследуемого образца после разрыва с помощью штангенциркуля.

;

.

4. Обработаем диаграмму кручения.

4.1 Определим начало координат диаграммы на миллиметровой бумаге и нанесём координатные оси.

Так как по оси абсцисс фиксируются только повороты активного захвата, то для получения истинного значения угла закручивания образца необходимо учитывать угол поворота пассивного захвата, связанного с маятником измерителя крутящего момента. Поэтому при расшифровке диаграммы необходимо построить действительную ось крутящих моментов T₁. Для этого необходимо построить прямоугольный треугольник OPQ. На мнимой оси ординар T отложить катет OP=120 мм, на перпендикуляре к нему отложить второй катет PQ=26,5 мм, построить гипотенузу OQ, которая укажет истинное направление оси ординат T₁.

4.2 Определим масштабы по осям координат.

по оси абсцисс: ;

по оси ординат: .

4.3 Определим на диаграмме положения точек A, B, K, соответствующих пределам пропорциональности, текучести, прочности и произвольные точки C и D.

4.4 Определим значения крутящих моментов и углов закручивания в выбранных на диаграмме точках. Полученные результаты сведём в таблицу 1.

5. Определим касательные напряжения и углы сдвига в точках диаграммы. Полученные результаты сведём в таблицу 1.

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Таблица 1.
Величина	Точки на диаграмме кручения
	A	B	C	D	K
Крутящий момент T, Н*м	145,6	195,8	220	221	226
Угол закручивания φ, град.	3,5	16,8	72,0	443,4	850,0
Касательное напряжение τ, МПа	248,3	334	375,5	377	385,5
Угол сдвига γ, рад.	0,0031	0,0115	0,064	0,394	0,754

6. Перестроим диаграмму кручения образца в диаграмму сдвига.

7. Определим все необходимые характеристики образца: характер разрушения и материал образца.

При разрыве образца произошёл плоский излом, перпендикулярный оси образца, что свидетельствует о пластическом разрушении путём среза, которое произошло под действием касательных напряжений в поперечном сечении образца.

.

Вывод:

Исходя из полученного значения модуля сдвига и вида диаграммы кручения можно сделать вывод, что исследуемый образец состоит из углеродистой стали.

Контрольные вопросы:

1. Какое напряжённое состояние возникает в точках сечения бруса при кручении?

Так как при кручении в стержне отсутствуют нормальные напряжения направленные вдоль оси вращения, то в нём возникает плоское напряжённое состояние.

2. Какие напряжения возникают в наклонных сечениях бруса при кручении?

Рисунок 3. Напряжённое состояние в стержне.

Если изменять ориентацию сечений, то в них будут возникать и увеличиваться нормальные напряжения до тех пор, пока они не станут равны касательным напряжениям в поперечном сечении.

3. Как разрушаются при кручении образцы из пластичного и хрупкого материалов?

Рисунок 4. Виды разрушения образцов при кручении.

Образцы из пластичного материала разрушаются путём среза, происходящего под действием касательных напряжений. Происходит плоский излом. (Рисунок 4, а)

Образцы из хрупкого материала разрушаются путём отрыва. Происходит излом по винтовой линии под углом 45º. (Рисунок 4, б)

4. Какая величина служит сравнительной характеристикой пластичности материала при кручении?

Основной сравнительной характеристикой пластичности материала при кручении является предел упругости при кручении.

5. Какие формулы используются для определения величины касательных напряжений?

;

;

;

;

6. Каков порядок выполнения работы?

1. Ознакомьтесь с описанием лабораторной работы.

2. Произведите замеры диаметра d₀ поперечного сечения и расчётной длина l₀ рабочей части образца. Замеры диаметра производят с точностью 0,01 мм в трёх различных точках рабочей части образца, по которым затем определяется среднее значение. Расчётная длина рабочей части образца измеряется с точностью 0,1 мм.

3. Закрепите образец в захватах машины специальным ключом. При закреплении образца клинья захватов двигаются в осевом направлении, в результате чего образец сжимается в этом направлении. Чтобы снять со стержня нагрузку, изменяют расстояние между захватами ручным приводом.

4. Па рабочей поверхности образца нанесите мелом продольную линию (таким образом осуществляется грубый контроль угла закручивания).

5. Подготовьте к работе диаграммный аппарат и указатель угла закручивания.

6. Включите машину и наблюдайте за характером деформации и изменением крутящего момента вплоть до разрушения образца. Обязательно зафиксируйте значение максимального крутящего момента T_max.

7. Удалите части разрушенного образца из захватов машины. Измерьте диаметр d₁ и длину l₁ образца, сложив две его части. Обратите внимание на температуру образца, тип излома. Результаты всех измерений, а также эскиз образца после разрушения занести в отчёт.

8. Снять с барабана диаграмму кручения образца и обработать её.

8.1. Определить начало координат на машинной диаграмме и нанести координатные оси φ и T₁.

Снятая с диаграммного аппарата зависимость T=g(φ) нуждается в дополнительной обработке.

Так как по оси абсцисс фиксируются только повороты активного захвата, то для получения истинного значения угла закручивания образца необходимо учитывать угол поворота пассивного захвата, связанного с маятником измерителя крутящего момента. Поэтому при расшифровке диаграммы необходимо построить действительную ось крутящих моментов T₁. Для этого необходимо построить прямоугольный треугольник OPQ. На мнимой оси ординат T отложить катет OP = 120 мм, на перпендикуляре к нему отложить второй катет PQ = 26,5 мм, построить гипотенузу OQ, которая укажет истинное направление оси ординат T₁.

8.2. Определить масштаб по осям координат:

по оси абсцисс φ – μ_Ox= … град./мм

по оси ординат T₁ – μ_Oy= …Н*м/мм.

8.3. Определить на диаграмме кручения положения точек А, В, К, соответствующих пределам пропорциональности, текучести, прочности. Для удобства последующей обработки диаграммы взять на ней ещё несколько дополнительных точек.

8.4. С учётом масштабов по осям координат определить значения крутящих моментов и углов закручивания з выбранных на диаграмме точках. Полученные результаты занести в таблицу отчёта.

9. Перестроить диаграмму кручения образца в диаграмму сдвига.

10. Определить все необходимые механические характеристики материала образца; характер разрушения и материал образца.