Испытание на кручение | Строительный холдинг ГРАНТ
Строительный холдинг ГРАНТ

Испытание на кручение

Кручение — это вид деформации, возникающий при действии NN брус двух пар сил в плоскостях, перпендикулярных оси бруса, и характеризующийся взаимным поворотом каждого сшсречного сечения по отношению к соседнему на некоторый угол.

Момент пары внешних сил при этом называется скручивающим моментом.

Кручение встречается в работе валов, деталей машин, винтовых пружин, перекрестных балок, различных судовых и строительных конструкций, при действии боковых горизонтальных сил на рельсовый путь и других различных пространственных конструкциях.

испытания на кручение применяются как для пластичных, так и для малопластичных металлов, поскольку имеют ряд преимуществ по сравнению с испытаниями на растяжение.

При кручении цилиндрического образца возникает напряженное стояние чистого сдвига. Образцы при кручении не образуют шейки, вследствие чего крутящий момент возрастает до разрушения. Пластическая деформация протекает почти равномерно по длине образца, при этом диаметры поперечных сечений остаются прямыми и сохраняется цилиндрическая форма образца. Это позволяет определять деформации и напряжения в очень пластичных металлах, в которых при растяжении образуется шейка малого сечения; исходящее при этом изменение сечения растягиваемого образца, как указывалось ранее, затрудняет точный расчет напряжений.

При кручении касательные напряжения близки по величине нормальным напряжениям (Тмакс/^кс = 0,8), поэтому малопластичные металлы, испытания которых на растяжение представляют затруднения, при испытаниях на кручение получают вполне измеримую деформацию, что позволяет определить их основные механические характеристики.

Испытание на кручение применяется для определения пластичности закаленных (хрупких при растяжении и изгибе) конструкционных и инструментальных сталей, при оценке пластичности и вязкости высокопластичных металлов и сплавов, образующих при растяжении шейку малого сечения — при необходимости четкого разграничения вида разрушения (отрыв или срез), а также при технологических испытаниях (при контроле проволоки, определении качества поверхности, спосбности к обработке давлением, наличии микротрещин и др.).

При испытании на кручение определяют следующие характеристики металла:

• модуль упругости G при сдвиге кручением, МПа — отношение касательного напряжения к относительному сдвигу (выраженному отвлеченным числом) в области упругой деформации, не выходящей за предел пропорциональности;

• сдвиг при кручении (относительный) у — отношение длины дуги поворота (сдвига) окружности одного поперечного сечения образца (точки 1, 3, 3′) относительно окружности другого его поперечного сечения (точки 2, 2′, 44′) к расстоянию между этими сечениями dx, выраженное в процентах или отвлеченным числом (рис. 2.19). Сдвиг разделяется на упругий, исчезающий после снятия нагрузки, и остаточный, остающийся после снятия нагрузки;

• предел пропорциональности при кручении (технический) тпц, МПа — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями (от закон Гука) по поверхности образца достигает такой ве личины, при которой тангенс угла, образуемой касательной к точке кривой деформации и осью напряжения, превышает первоначальное значение на 50 %;

• предел упругости при кручении туп, МПа — касательное напряжение, вычисленное по формулам для упругого круче-

Рис. 2.19. Схема сдвига при кручении ния, при котором образец получает остаточный сдвиг, соответствующий обусловленному допуску, например 0,0045; 0,0075; 0,015%;

• предел текучести при кручении (условный) т0 2» МПа — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором образец получает остаточный сдвиг, равный 0,3 %;

• истинный предел прочности при кручении тн, МПа, — наибольшее касательное напряжение, вычисленное по наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца, с учетом пластической деформации;

• условный предел прочности при крученци тпч, МПа — наибольшее касательное напряжение, вычисленное по формуле для упругого кручения и отвечающее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца.

Для испытания металлов на кручение применяют образцы цилиндрической формы круглого сечения (рис. 2.20) с диаметром рабочей части 10 мм и с расчетной длиной 100 или 50 мм (нормальные образцы).

В особых случаях можно испытывать образцы изделий трубчатой формы, а также других форм и размеров.

Форма и размеры головок образца определяются способом крепления образца в захватах испытательной машины. Переход от рабочей части образца к его головкам должен быть плавным. Отклонение размера диаметра образца по длине рабочей части допус-

Рис. 2.20. Образцы, применяемые при кручении:

а — с круглыми головками; б — с квадратными головками; в — с круглыми головками и лыской кается не более 0,2 % диаметра. Диаметр образца перед испытанием измеряют в трех местах по длине рабочей части, делая замеры каждый раз в двух взаимно перпендикулярных направлениях с точностью 0,01 мм. Точность измерения длины образца 0,2 мм.

На рабочей поверхности образца параллельно продольной оси наносится тонкая линия с отметкой расчетной длины.

Параметр шероховатости поверхности образца Ra при испытании стали с временным сопротивлением менее 1570 МПа и цветных металлов должен быть не более 1,25 мкм (ГОСТ 2789—73), а при испытании стали с временным сопротивлением более 1570 МПа — не более 0,32 мкм.

Испытания на кручение производят как на горизонтальных машинах (рис. 2.21), так и на вертикальных.

Для испытания могут быть использованы также машины, обеспечивающие надежное центрование образца и отсутствие изгибающих нагрузок, плавность статического нагружения (без ударов и толчков), сохранение показаний динамометра (силоизмерителя) в течение не менее 30 с, а также постоянство его показаний при повторных нагрузках, возможность нагружения с точностью одно-

Рис. 2.21. Машина для испытания на кручение:

/ — образец; 2, 3 — зажимы; 4 — подшипник; 5 — червячное колесо; 6 —указатель; 7— шкала; 8— маятник; 9—шарикоподшипник; 10— направляющие; 11 — сило- измеритель го наименьшего деления силоизмерителя машины, свободное продольное перемещение одного из захватов машины, точность показания величины крутящего момента до 1 %, максимальный крутящий момент от 98 до 784,8 Н • м.

Образец 1 закрепляют в зажимах 2 и 3. Зажим 2 вращается в подшипнике 4 от червячного колеса 5. Углы поворота зажима 2 отмечаются закрепленным на нем указателем 6 на неподвижной шкале 7, расположенной на подшипнике 4.Зажим 3 можно перемещать по горизонтальным направляющим 10 и устанавливать на нужном расстоянии (в зависимости от длины образца). Зажим вращается в шарикоподшипнике 9 и прочно скреплен с маятником 8.Крутящий момент, приложенный к образцу через зажим 2, уравновешивается моментом маятника 8. Отклонение маятника регистрируется стрелкой силоизмерительного устройства 11.

Для определения малых углов закручивания при определении модуля сдвига, пределов пропорциональности, упругости и текучести применяется зеркальный прибор Мартенса (для кручения) или другие типы тензометров.

В этом случае угол закручивания определяется как разность углов ф|, (р2 поворота сеченийf и/2находящихся на концах расчетной длины образца (рис. 2.22).

Для определения модуля упругости G при сдвиге кручением закрепленный в машине образец нагружают крутящим моментом, соответствующим начальному касательному напряжению tq. Для стали начальное напряжение т0 принимается равным 29,4 МПа, для других металлов — не более 10 % от ожидаемого предела про- порциональнйсти. Затем устанавливают тензометр, отмечают нулевое значение угла закручивания и нагружают образец крутящим моментом, не выводящим напряжение образца за предел пропорциональности.

Модуль упругости G при сдвиге определяют по формуле

где М— крутящий момент (за вычетом начального), Н • м; /0 — расчетная длина образца, м; 2 — угловые показатели (углы закручивания) на концах расчетной длины, рад; /р — полярный момент инерции, м4. Для сечения круглого образца /р = nd^/2>2.

Для определения предела пропорциональности при кручении образец, нагруженный крутящим моментом, соответствующим на- минальному касательному напряжению, после установки зеркаль-

Рис. 2.22. Схема зеркального прибора Мартенса, применяемого при испытании на кручение:

I — зеркала; 2 — шкалы; 3 — осветители; L — расстояние от зеркала до шкалы; Iq — расстояние между захватами; Q и Cq — нулевые значения по шкале; С[ и С[ — перемещение по шкале

ного прибора догружают вначале большими, а затем малыми ступенями, отмечая после каждой ступени нагружения угловую деформацию.

Нагружение большими ступенями производят до 2/з ожидаемого предела пропорциональности, а затем догружают образец (от руки) малыми нагружениями. Ступени малых нагружений выбирают так, чтобы до достижения предела пропорциональности было произведено не менее пяти малых нагружений.

Испытание прекращают, когда угловая деформация от нагружения при малой ступени в 2—3 раза превысит деформацию, полученную от первого малого нагружения.

По полученным данным строят кривую кручения (рис. 2.23). На участке кривой, на котором еще не наблюдается отклонений от закона Гука, определяют средний угол закручивания на малую сту- нень нагружения и найденную величину увеличивают на 50 %.

Рис. 2.23. Диаграмма кручения

Крутящий момент М, отвечающий этой точке полуторной деформации, принимают для расчета условного предела пропорциональности, МПа:

т 

где W — момент сопротивления, м3. Для сечения круглого образца = 7T?/q3/16.

Вычисление производят с точностью до 4,9 МПа. При определении предела текучести при кручении деформацию до предела пропорциональности считают упругой, а за пределом пропорциональности — остаточной.

По полученным значениям моментов Мипо угловым показаниям (pi — (р2, соответствующим пределу пропорциональности и последующим ступеням, вычисляют значения наибольшего касательного напряжения, МПа,

и относительный сдвиг в процентах

где М — крутящий момент, кгс • м (Н • м); W — момент сопротивления для круглого образца, м3; cpj и <р2 — угловые показатели на концах расчетной длины, рад (tpj имеет большую величину, так как находится у активной головки образца, см. рис. 2.22); d0 — диаметр рабочей части образца, мм; — расчетная длина образца, мм.

Предел текучести при кручении (условный) определяется несколькими способами. К вычисленному для предела пропорциональности относительному сдвигу у прибавляют 0,3 % (допускаемый для предела текучести остаточный сдвиг) и по значению у + 0,3 % находят в ряду вычисленных т и у искомое значение предела текучести т0 3: 

где Mq 3 — момент, соответствующий остаточному сдвигу 0,3 %.

Предел текучести может быть найден графически. Для этого по полученным при испытании значениям моментов и углов закручивания вычисляют величины наибольшего касательного напряжения т и относительного сдвига у и строят диаграмму зависимости т от у. По оси абсцисс откладывают значение установленного для предела текучести остаточного сдвига, равного 0,3 %, и от этой точки проводят прямую, параллельную начальному прямолинейному участку, до пересечения с кривой диаграммы. Ордината точки пересечения этой прямой и будет искомым пределом текучести 19 3.

Величину предела текучести т0 3 можно определить также по диаграмме кручения (см. рис. 2.23), если она вычерчена в большом масштабе.

Для определения истинного предела прочности при кручении образец нагружают крутящим моментом до тех пор, пока он не начнет пластически деформироваться, затем его нагружают небольшими и по возможности одинаковыми ступенями до разрушения, отмечая нагрузку М и соответствующие им угловые показатели Cpj и ср2*

Для нескольких разностей cpi — <р2, соответствующих точкам кривой перед разрушением, вычисляют удельный угол закручивания в радианах: 

По вычисленным значениям 0 и соответствующим им моментам кручеция М строят участок кривой зависимости Мот 0. Для точки кривой, соответствующей наибольшему крутящему моменту, определяют графически величину 6M/6Q, равную тангенсу угла между касательной к данной точке и осью абсцисс, в соответствующем масштабе.

Истинный предел прочности при кручении определяется по формуле 

где d0 — диаметр образца, мм; Мк — наибольший крутящий момент, предшествовавший разрушению образца, Н • м; 0 — удельный угол закручивания при разрушении образца в радианах на 1 мм; сШ/d0 — величина, определяемая графически.

Для определения предела прочности при кручении образец догружают до разрушения, отметив момент кручения Мк.

Предел прочности при кручении, МПа, вычисляют по формуле

где W — момент сопротивления.

Относительный (остаточный) сдвиг при кручении в процентах определяют по формуле

Для пластичных металлов, у которых величина упругой деформации относительно мала, можно принять общий сдвиг за остаточный.

Для малопластичных металлов, упругая деформация у которых относительно велика, следует вычесть из общего сдвига у упругий сдвиг ууп 

где тпч — предел прочности при кручении, МПа; G — модуль сдвига данного материала, МПа.

Характер разрушения при кручении (срез или отрыв) определяется направлением разрушения. Разрушение от касательных напряжений происходит перпендикулярно (или параллельно) к оси образца (рис. 2.24, а); разрушение от растягивающих напряжений происходит по винтовой линии, примерно под углом 45° к оси образца (рис. 2.24, б).

Рис. 2.24. Схема разрушения образцов при кручении вследствие: а — среза (мягкая сталь); б — отрыва (чугун)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>