КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ Сведения

При кручении образца круглого поперечного сечения форма его почти не изменяется, что позволяет достаточно точно определить деформации и соответствующие им напряжения до момента разрушения образца включительно, тогда как при испытании на растяжение это становится невозможным после образования шейки.

Так как при кручении шейка не образуется, то кривая кручения не имеет нисходящего участка, и внешний крутящий момент непрерывно возрастает вплоть до разрушения образца. Из теории известно, что материал скручиваемого стержня находится в условиях сложного (плоского) напряженного состояния, причем по площадкам, перпендикулярным и параллельным оси стержня, возникают только касательные напряжения, а по площадкам, наклонным к оси стержня на угол 45° - только нормальные напряжения (рис. 4.1). Причем . Площадки, на которых действуют только нормальные напряжения, называются главными.

Рис. 4.1. Картина действия напряжений

Характер разрушения образца зависит от материала.

Если материал хуже сопротивляется сдвигу, чем растяжению и сжатию (например, металл), то образец разрушается от действия касательных напряжений по поперечному сечению (рис 4.2а).

Рис. 4.2. Виды разрушений различных материалов

Если материал значительно хуже сопротивляется растяжению, чем сдвигу и сжатию (бетон, чугун и другие хрупкие материалы), то образец разрушается от действия главных растягивающих напряжений (рис. 4.2б).

Если материал обладает меньшим сопротивлением сдвигу в продольной плоскости, чем сдвигу в поперечном направлении и растяжению-сжатию (древесина при направлении волокон вдоль оси z), то образец разрушается от действия касательных напряжений в продольных сечениях (рис. 4.2в).

При кручении стержней угол закручивания (в радианах) одного поперечного сечения относительно другого, в пределах упругих деформаций, связан с крутящим моментом линейной зависимостью

, (4.1)

где - крутящий момент в сечении на участке длиной ;

- модуль сдвига;

- полярный момент инерции круглого поперечного сечения, диаметром ;

- жесткость при кручении.

Примечание. Формула (4.1) справедлива, когда в пределах длины участка крутящий момент постоянен.

Зная размеры образца ( , ) и крутящий момент и определив опытным путем угол , можно из формулы (4.1) определить модуль сдвига материала

. (4.2)

Модуль сдвига измеряется в Па или кратких им величинах, обычно МПа (1МПа численно равен 1 Н/мм²).

Величину можно определить через модуль упругости и коэффициент Пуассона по формуле

.

ОБОРУДОВАНИЕ

Испытание на кручение проводится на машине KM-50-1 (рис. 4.3), развивающей наибольший скручивающий момент 500 Нм.

Рис. 4.3. Крутильная машина КМ-50-1:

1,2 – клиновые захваты; 3 – рукоятка; 4 – маховик; 5 – шкала угла закручивания; 6 – диаграммный аппарат; 7 – силоизмерительное устройство

Машина может осуществлять нагружение в трех диапазонах: 0...100 Нм (10 кГсм); 0...200 Нм (20 кГсм); 0...500 Нм (50 кГсм) - со скоростью 0,3 об/мин или 1 об/мин. Кроме того, для медленного нагружения предусмотрен ручной привод. Испытуемый образец длиной от 130 до 300 мм помещается в захватах машины. Во время испытаний верхний захват остается неподвижным, а нижний поворачивается. Угол поворота нижнего захвата фиксируется малым и большим лимбами. Малый лимб фиксирует полные обороты, а большой - угол в градусах в пределах оборота. Величина скручивающего момента фиксируется силоизмерительным устройством. Одновременно записывается диаграмма кручения в осях .

При определении модуля сдвига образец испытывается в пределах упругих деформаций, которые в силу своей малости не могут быть зафиксированы с помощью лимбов. Поэтому для определения взаимного угла поворота двух сечений, отстоящих друг от друга на расстоянии = 20 мм, используется специальное приспособление. Оно сострит из двух разъемных шайб, которые закрепляются на образце. На одной шайбе устанавливается индикатор часового типа с ценой деления 0,01 мм, а на другой - рычаг с пяткой, в которую упирается ножка индикатора (рис. 4.4). При скручивании образца некоторым моментом , шайбы повернутся на углы и , относительно своего первоначального положения. Разница между этими углами представляет собой взаимный угол поворота двух сечений, отстоящих на расстоянии . Определяется этот угол в радианах, как отношение показания индикатора (мм) к расстоянию (мм) от оси образца до оси индикатора

. (4.3)

Рис. 4.4. Схема замера взаимного угла поворота сечений

Техника безопасности

1. Установку образца производить при выключенной машине.

2. При включенной машине нельзя браться за ручку ручного привода.

3. Для переключения скорости нагружения следует выключить машину.

4. Для работы ручным приводом необходимо выключить машину и рукоятку переключения скорости нагружения поставить в нейтральное положение.

5. Во время работы машины запрещается касаться вращающихся частей и приближаться к машине менее чем на 0,5 м.

ПОСТАНОВКА ОПЫТА