Оборудование и материалы

Испытания материалов на двойной срез проводятся на разрывной машине Р-5 с использованием приспособления СМIВ. Образец изготавливается из малоуглеродистой стали марки Ст. 3, размеры его соответствуют размерам приспособления СМIВ. Твердость определяется с помощью твердомера ТМ-2М, а диаметр отпечатка шарика при этом замеряется микроскопом МПБ-2.

Подготовка и порядок проведения испытаний

С помощью штангенциркуля или микрометра измеряется диаметр образца и вычисляется площадь его поперечного сечения. После этого образец вставляется в приспособление и вместе с ним устанавливается в захваты разрывной машины. Машина включается, и нагрузка плавно повышается до разрушения образца. По формуле 4.3 определяется предел прочности стали при двойном срезе. Разрушающей считается наибольшая нагрузка, достигнутая в процессе испытания. Плоская пластина из того же материала, что и образец, помещается в твердомер и на ней выдавливается лунка. Диаметр лунки измеряется при помощи шкалы микроскопа. По величине диаметра определяется число твердости, а затем величина предела прочности стали на растяжение. Для сравнения величин и находится их соотношение. Данные записываются в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Экспериментальные данные

, Н		d, мм
, мм2		НВ, Н/мм2
, Н/мм2		, Н/мм2
[τ], Н/мм2		К

Выводы

В выводах необходимо отметить величину предела прочности стали на срез, а также соотношение между пределами прочности стали на срез и на растяжение. Произвести сравнение величины предела прочности на растяжение (из лабораторной работы № 2) и полученного в данных опытах при условии, что образцы для этих работ были изготовлены из одинакового материала.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит деформация среза? Какие внутренние силовые факторы возникают при срезе?

2. Какие напряжения возникают в образце при деформации среза?

3. По какой формуле определяется предел прочности при срезе?

Литература: [1, 2, 3, 7, 8, 9].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

«Испытание конструкции на кручение»

Цель работы: определить механические характеристики материала при кручении, вычислить модуль упругости второго рода и описать характер деформирования и разрушения образца.

Сведения из теории

Деформация кручения вызывается парами сил, плоскости действия которых перпендикулярны продольной оси стержня. В произвольном поперечном сечении стержня в этом случае возникает только один внутренний силовой фактор - крутящий момент

При кручении в поперечных сечениях создаются условия чистого сдвига. При этом касательные напряжения τ в любой точке круглого поперечного сечения можно вычислить по формуле:

. (5.1)

Максимальные касательные напряжения возникают в крайних, наиболее удаленных точках сечения, то есть :

, (5.2)

где ρ - расстояние от центра тяжести сечения до точки, в которой определяются напряжения;

- полярный момент инерции сечения;

- полярный момент сопротивления сечения.

Одной из предпосылок теории кручения является закон Гука при сдвиге, то есть наличие прямой пропорциональности между касательными напряжениями τ и деформациями (углом сдвига ):

, (5.3)

где G - коэффициент пропорциональности или модуль упругости второго рода.

Современные испытательные машины оснащены автоматическими записывающими устройствами - диаграммными аппаратами, которые осуществляют запись диаграмм кручения в определенном масштабе. При этом по оси ординат записывается крутящий момент , а по оси абсцисс - угол закручивания .

Примерный вид такой диаграммы (полученной при постепенном увеличении нагрузки вплоть разрушения) для стержня длиной , изготовленого из пластичного материала, показан на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Диаграмма кручения

Анализируя диаграмму кручения, можно отметить, что она подобна диаграмме растяжения. Характерные участки и точки аналогичны тем, которые наблюдаются на диаграмме растяжения:

- момент, до которого сохраняется прямолинейная зависимость

между нагрузкой и деформацией;

- момент, соответствующий явлению текучести;

- крутящий момент, вызывающий разрушение.

На начальном прямолинейном участке 0-1 наблюдается линейная зависимость между крутящим моментом и углом закручивания. На этом участке справедлив закон Гука при кручении, выражающийся формулой 5.3.

Тогда из формулы 5.3 может быть определен модуль упругости второго рода:

. (5.4)

При этом угол сдвига равен

, (5.5)

где - длина образца, мм.

Подставляя в (5.4) значения касательного напряжения (5.1) и угла сдвига (5.5), получим формулу для определения модуля упругости второго рода в следующем виде:

, (5.6)

где 57 - коэффициент для перевода угла закручивания , выраженного в градусах, в радианы.

Напряжение, соответствующее моменту , (точка 1, рисунок 5.1) называется пределом пропорциональности:

. (5.7)

Таким образом, пределом пропорциональности называется напряжение, после которого нарушается закон Гука при кручении.

При дальнейшем увеличении нагрузки диаграмма кручения становится криволинейной и плавно поднимается до точки 2, где наблюдается переход к горизонтальному участку 2-3, называемому площадкой текучести. На этой стадии кручения деформация образца растет при постоянном значении момента, равном . Такой процесс деформации, называемый текучестью материала, сопровождается остаточной (пластической) деформацией.

Таким образом, пределом текучести называется наименьшее напряжение , при котором образец деформируется при постоянном значении крутящего момента. Величина предела текучести вычисляется по формуле:

. (5.8)

После стадии текучести материал вновь приобретает способность сопротивляться дальнейшему увеличению деформации и воспринимать возрастающее до некоторого предела усилие. Этому отвечает участок 3-4 диаграммы кручения. Точка 4 соответствует наибольшему моменту , при котором образец разрушается.

Напряжение, соответствующее максимальному моменту , называется пределом прочности при кручении:

. (5.9)

Кроме полученных величин, для материала образца определяется допускаемое напряжение, которое для пластичных материалов вычисляется по формуле:

, (5.10)

где - нормативный коэффициент запаса прочности, равный 1,75,0.

Если перед опытом провести на образце продольную линию, то после испытания она превращается в винтовую линию, каждый виток которой соответствует закручиванию образца на угол 360. Радиальная линия, проведенная на торце образца, после опыта остается прямой линией.

Пластичность образца оценивается относительным углом закручивания :

(5.11)

и максимальным углом сдвига при разрушении

, (5.12)

где - наибольший угол закручивания, рад;

d - диаметр поперечного сечения образца, мм.