методички / 4036

Рис. 2.1. Испытания на сжатие:

а – стандартный образец для испытания на сжатие; б – схема нагружения образца

Стандарт рекомендует выбирать диаметр d0 образцов из следующего ряда: 6, 10, 15, 20, 25, 30 мм. Длина образца h0 должна составлять (1,8…3) d0 . Более длинные образцы с h0 3d0 не рекомендуются, потому что они могут искривиться в процессе сжатия. При испытании слишком коротких образцов с h0 1,8d0 результаты искажаются изза существенного влияния сил трения, возникающих на торцах образца и препятствующих свободному расширению торцов в процессе испытания.

Испытывают образцы на тех же испытательных машинах, на которых проводятся испытание на растяжение (ПРИЛОЖЕНИЕ 1), но размещают образцы между подвижной траверсой 4 и неподвижной траверсой 6. В процессе испытаний образец нагружается постепенно увеличивающейся продольной сжимающей силой F (рис. 2.1, б). Как и при растяжении, диаграммный аппарат автоматически вычерчивает зависимость между укорочением h образца и сжимающей силой F диаграмму сжатия образца.

Диаграмма сжатия низкоуглеродистой стали показана на рис. 2.2, а.

Рис. 2.2. Испытания на сжатие малоуглеродистой стали:

а – диаграмма сжатия стали; б – стальной образец до и после испытания

11

Порядок выполнения работы

1.Замерить диаметр d0 и высоту h0 каждого образца.

2.Провести испытания образцов с записью диаграмм сжатия и регистрацией максимального усилия FMAX в процессе испытания каждого образца.

3.Измерить конечную высоту hк и диаметр dк каждого образца.

4.Для образца из пластичного материала по диаграмме сжатия определить FT

(см. рис. 2.2, а).

5.Вычислить предел текучести ТС для пластичного материала по формуле (2.1).

6.Вычислить предел прочности ВС для хрупкого материала по формуле (2.2).

7.Оформить отчет по лабораторной работе.

Таблица результатов испытаний

Содержание отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие обязательные пункты:

1)название работы,

2)цель работы,

3)перечень оборудования, инструментов и материалов, используемых в работе,

4)эскизы образцов до и после испытаний,

5)таблицу результатов испытаний,

6)диаграммы сжатия образцов с указанием усилий FT и FMAX,

7)расчеты механических характеристик материалов,

8)выводы.

Контрольные вопросы

1.Какие характеристики прочности определяют при испытании на сжатие пластичных материалов?

2.Какие характеристики прочности определяют при испытании на сжатие хрупких материалов?

3.Насколько существенны различия в пределах текучести при растяжении и сжатии у пластичных материалов?

4.Насколько существенны различия в пределах прочности при растяжении и сжатии у хрупких материалов?

13

Лабораторная работа № 3

ИСПЫТАНИЯ НА КРУЧЕНИЕ

Цель работы: исследовать процесс кручения образцов из малоуглеродистой стали и чугуна и определить характеристики прочности материала: предел текучести Т и предел прочности при кручении пч , а также и характеристику пластичности материала – максимальный остаточный сдвиг max .

Теоретические сведения

Испытание на кручение проводится по методике, утвержденной стандартом ГОСТ 3565-80 «Металлы. Метод испытания на кручение».

Образцы металла, которые применяются при испытании на кручение, имеют цилиндрическую форму. Стандарт рекомендует для испытания цилиндрические образцы с диаметром d0 10 мм и длиной рабочей части l0 50 мм и l0 100 мм (рис.3.1,а).

Рис. 3.1. К испытаниям на кручение: а – образец для испытания на кручение; б – схема нагружения образца

Испытывают образцы на специальной испытательной машине для испытаний на кручение КМ 50 1 рис. 3.2).

В процессе испытаний образец нагружается постепенно увеличивающимся крутящим моментом М к (рис. 3.1, б). При этом диаграммный аппарат автоматически вычерчивает зависимость между углом закручивания образца и крутящим моментом М к

диаграмму кручения образца.

Машина КМ-50-1 (рис. 3.2) относится к типу испытательных машин с механическим нагружением вертикально расположенного образца и рычажно-маятниковым силоизмерителем.

14

Рис. 3.2. Принципиальная схема испытательной машины КМ-50-1

Образец 1, зажатый в захватах 2 и 3, подвергается кручению при помощи механизма привода. Привод работает следующим образом: электродвигатель 4, установленный внутри корпуса привода, через клиноременную передачу 5 приводит во вращение червячную пару 6, которая через зубчатые передачи 7, 8 и червячную пару 9 вращает ходовой винт 10 с установленным на нем нижним захватом.

Момент, приложенный к нижнему захвату, передается через рычаг 11 маятнику 12, который отклоняется вместе с рычагом 13, связанным с рейкой 14. Последняя, поднимаясь с рычагом 13, вращает шестерню 15, на которой сидит стрелка 16, показывающая крутящий момент на шкале моментоизмерителя 17.

Рейка 14 также жестко связана с пером диаграммного аппарата 18, записывающим диаграмму зависимости угла закручивания от крутящего момента М к на бумаге 9.

15

По оси ординат диаграммного барабана записывается крутящий момент М к , а по оси абсцисс – угол закручивания . Вращение диаграммного аппарата производится от привода машины через шестерни 22, 23, 24, валик 25 и редуктор скоростей 20.

Масштаб записи по углу закручивания

0 ,5 градмм или 0 ,1 градмм .

Диаграмма кручения образца малоуглеродистой стали показана на рис. 3.3, а. На начальном участке ОА диаграммы наблюдается прямая пропорциональная зависимость между углом закручивания и крутящим моментом:

M K lo ,

G J p

где G модуль сдвига материала;

d 4

J p 32o полярный момент инерции сечения образца.

Рис. 3.3. Диаграммы кручения: а – малоуглеродистая сталь; б – чугун

При дальнейшем увеличении крутящего момента пропорциональность нарушается и наблюдается быстрое увеличение угла закручивания при незначительном увеличении крутящего момента. Крутящий момент возрастает вплоть до разрушения образца. Разрушение происходит без образования шейки.

Из испытания на кручение стального образца определяют условный предел текучести и предел прочности.

Пределом текучести при кручении называют максимальное касательное напряжение, которому соответствует остаточный сдвиг на поверхности образца равный 0,3 % (или 0,003 радиана).

16

По величине остаточного сдвига

ост ост d0 ,

2l0

можно вычислить остаточный угол закручивания образца:

Далее, используя эту величину остаточного угла закручивания, графическим построением по диаграмме кручения находим крутящий момент МТ (рис. 3.3, а). Затем рассчитываем условный предел текучести при кручении:

где max – максимальный угол закручивания в рад.

Диаграмма кручения чугунного образца показана на рис. 3.3, б. Характерной особенностью этой диаграммы является заметная криволинейность начального участка. Чугун лишь приблизительно подчиняется закону Гука. Для чугуна в качестве характеристи-

ки прочности используют предел прочности при кручении пч .

17

Разрушение стального образца происходит от среза по плоскости поперечного сечения, в которой действуют наибольшие касательные напряжения (рис. 3.4, а); чугунный образец разрушается по винтовой поверхности, наклоненной под углом 45 к образующей (рис. 3.4, б), в результате отрыва под действием наибольших нормальных напряжений.

а)

б)

Рис. 3.4. Разрушение при кручении: а стальной образец; б чугунный образец

Порядок выполнения работы

1.Замерить диаметры d0 и длины l0 образцов.

2.Провести испытания образцов с записью диаграмм кручения и регистрацией максимального крутящего момента Мmax и максимального угла закручивания max .

3.Для образца из пластичного материала по формуле (3.1) определить ост – остаточный угол закручивания, соответствующий крутящему моменту МТ .

4.По ост на диаграмме кручения найти величину МT (см. рис.3.3,а).

5.Вычислить предел текучести T для пластичного материала по формуле (3.2).

6.Вычислить предел прочности пч и максимальный сдвиг max для пластичного

материала и хрупкого материалов по формулам (3.3) и (3.4). 7. Оформить отчет по лабораторной работе.

Таблица результатов испытаний

Содержание отчета по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие обязательные пункты:

1)название работы,

2)цель работы,

3)перечень оборудования, инструментов и материалов, используемых в работе,

18

l

Рис. 4.1. Схема нагружения трубки

Таким образом, измерив угол закручивания при нагружении заданным крутящим моментом, по полученной формуле можно вычислить модуль сдвига материала. Результат будет более точным, если нагружение бруса проводить, ступенчато увеличивая крутящий момент равными приращениями М, и определять среднее приращение угла закручивания , соответствующее каждому приращению момента М. В этом случае формула для модуля сдвига будет иметь вид:

Схема лабораторной установки показана на рис. 4.2. Деформируемым элементом является тонкостенная трубка 1, один конец которой жестко прикреплен к неподвижному основанию 7, а другой нагружается крутящим моментом от гирь 4 при помощи рычага 3. Угол закручивания участка трубки длиной l измеряется торсиометром, состоящим из рычагов 8, 9 и индикатора (ПРИЛОЖЕНИЕ 2) часового типа 2. Регулируемая опора 5 и подшипник 6 необходимы для того, чтобы исключить изгиб трубки 1.

Размеры, показанные на рис. 4.2, равны:

D = 20 мм; d = 16 мм; l = 80 мм; a = 100 мм; R = 500 мм.

Приращение крутящего момента М в формуле (4.3) при нагружении трубки силой F 10 Н , равно

=

При малом угле закручивания , который соответствует крутящему моменту М к , tgφ≈φ и индикатор показывает перемещение h = a (рис. 4.2, а). Следовательно, среднее приращение угла закручивания равно

hcp . a

20