Лабораторная работа № 6 испытание стального круглого образца на кручение

Цель работы:

1. Проверка закона Гука при кручении.

2. Определение модуля упругости при сдвиге стали.

3. Определение условного предела прочности при кручении стального образца.

Общие сведения

Угол закручивания стержней круглого поперечного сечения в пределах упругих деформаций связан с крутящим моментом линейной зависимостью в соответствии с законом Гука

где М_к – величина крутящего момента; l – расстояние между сечениями, на базе которого измеряется взаимный угол закручивания; I_ – полярный момент инерции поперечного сечения; G – модуль поперечной упругости материала образца.

Принимаемые в процессе эксперимента величины крутящего моментаМ_к и установленные значения соответствующих углов закручивания φ_к при известных значениях базовой длины l и полярного момента инерции поперечного сечения I_ρ позволяют определить величину модуля поперечной упругости материала:

где ΔМ_к – приращение крутящего момента на одну ступень нагружения; Δφ_ср– среднеарифметическое значение угла закручивания на одну ступень нагружения.

Условный предел прочности круглого стержня при кручении определяется по формуле

где M_кразр  крутящий момент, при котором произойдет разрушение образца; W_  полярный момент сопротивления поперечного сечения образца.

Предел прочности при кручении круглого стержня, определяемый по формуле (3), будет условным, т.к. данная формула предполагает действие закона Гука, однако при разрушении образца действие закона Гука наблюдаться, конечно, уже не будет.

Испытательная машина км-50-1

Испытательная машина КМ-50-1 (рис. 1) состоит из следующих основных узлов:

1.Корпуса, состоящего из нижней части 1, верхней 2 и связывающих колонн 3. В нижней части корпуса машины заключены механический и ручной приводы для нагружения образца. Ручной привод приводится в работу рукояткой 8, а механический  кнопочным устройством 9.

2. Захватов 5 и 6, служащих для закрепления образца 16. Нижний захват 5 подвижный, положение которого регулируется маховиком 7, вращающим нагружающий винт 4. Верхний захват 6 неподвижный.

3.Измерительного устройства, состоящего из шкалы 10, регулировочного винта 13 и стрелок 11 и 12.

4. Записывавшего устройства 14, позволяющего записать диаграмму кручения.

5. Лимб 15 для измерения углов закручивания сечения образца.

Рис. 1

Порядок выполнения работы

1. Образец, подвергающийся испытанию, представляет собой стержень круглого поперечного сечения, на концах которого имеются участки прямоугольного поперечного сечения. На этих участках производится крепление образца в захватах испытательной машины с целью исключения проскальзывания в процессе нагружения. Необходимо замерить диаметр образца d штангенциркулем с точности до 0,1 мм; замер следует провести в двух взаимно перпендикулярных направлениях и в расчет принять среднеарифметическое значение.

2. Для определения взаимного угла поворота двух сечений применяется индикаторное устройство, представленное на рис. 2.

В сечение «А» на образце закрепляется скоба, служащая упором для ножки индикатора. В сечении «В» на образце закрепляется рычаг, на конце которого укреплен индикатор. Взаимный угол поворота сечения «А» относительно сечения «В» определяется отношением:

где Δn  приращение показаний индикатора в делениях; R  плечо упорного рычага, т.е. расстояние от оси образца до упора ножки индикатора в мм; Кцена деления индикатора в мм.

Расстояние между сечениями «А» и «В» называется базой замера деформации.

3. Закрепить на образце индикаторное устройство в соответствии с рис.1.

4. Вставить образец в захваты 5 и 6 машины.

5. Регулировочным винтом 13 уточнить настройку шкал 10.

6. Настроить записывавшее устройство 14 на запись диаграммы.

7. Испытание образца будет осуществляться по шкале «10», поэтому следует проверить соответствие груза на маятнике для этой шкалы. (Маятник и сменные грузы на рис. 1 не показаны, они находятся с невидимой стороны).

8. Для проверки закона Гука образец необходимо загрузить начальным скручивающим моментом величиной М_к0=5Нм, чтобы исключить погрешность из-за возможных люфтов в захватах; затем увеличивать момент равными ступенями ΔM_к=5Нм и измерять при этом соответствующие углы закручивания, записывая показания индикатора при начальном моменте обжатия и после нагружения образца каждой последующей ступенью. Результаты испытаний заносятся в таблицу. Нагружение образца при испытании его в пределах упругости (при проверке закона Гука) осуществляется с помощью ручного привода 8. Нагружать образец следует до крутящего момента не более 35Нм. Этому моменту будут соответствовать максимальные касательные напряжения около 100 МПа.

Результаты нагружения можно изобразить на диаграмме, представленной на рис. 3.

Экспериментальные точки 1, 2, 3 и т.д. на диаграмме нагружения будут располагаться приблизительно на одной прямой, поскольку экспериментально определенные приращения углов закручивания Δφ_i могут незначительно отличаться друг от друга.

Прямая АВ, характеризующая линейную зависимость между крутящим моментом и углом закручивания, будет подтверждать закон Гука.

9. После того, как убедились в соответствии результатов испытаний закону Гука, снимаем с образца индикаторное устройство.

10. Настраиваем контрольную стрелку 12 силоизмерителя (зацепляем с рабочей стрелкой 11).

11.Настраиваем устройство 15 для замера пластического угла закручивания.

12. Включаем мотор «пуск» на разрушение образца.

13. После разрушения образца выключаем мотор нажатием кнопки «стоп» и записываем крутящий момент, при котором разрушился образец  М_кразр. Этот же момент может быть получен по диаграмме.

14. Оформить отчет по предлагаемой форме.