ИСПЫТАНИЯ НА КРУЧЕНИЕ

Испытание на кручение является одним из основных методов определения механических свойств Материалов, используемых в деталях, работающих на кручение. Этим методом можно также оценивать пластичность материалов, хрупких при растяжении; Определение при испытании на кручение модуля сдвига G позволяет вычислить коэффициент Пуассона . В отличие от растя­жения при кручении форма образца практически не изменяется даже при очень больших деформациях, что облегчает оценку напряжений и деформаций в этой области. Испытания на кручение позволяют наиболее

строго в срав­нении с другими видами механических испытаний дифференцировать характер разрушения.

На кручение испытываются, как правило, цилиндрические образцы сплош­ного круглого,

реже—трубчатого сечения "(рис. 1), иногда для специальных целей — квадратного или иной

формы сечения. Головкам образцов придают квадратную форму или круглую с лысками.

Кручение осуществляется на машинах с механическим приводом, преиму­щественно с горизонтальным расположением образца. Отечественные машины такого типа, известные под маркой К-20 и К-50, имеют предельный крутящий момент 200 нм (20 кГ-м) и 500 нм (50 кГ-м) соответственно; машины боль­шей мощности выпускались фирмой Амслер (до 6000 н-м (600 кГ-м).

При испытании к утолщенным головкам образца прикладываются два равных по величине и взаимно противоположных по направлению момента вращения, действующих в плоскостях, нормальных к оси. При этом в рабочей части образца создается плоское напряженное состояние чистого сдвига. В поперечных сечениях действуют только касательные напряжения, наиболь­шие у поверхности; такие же касательные напряжения действуют в продоль­ных сечениях образца, проходящих через его ось. В сечениях, наклоненных к оси, возникают нормальные напряжения (растягивающие — в одном направ­лении и сжимающие - в перпендикулярном); наибольшие, главные (нормаль­ные) напряжения действуют у поверхности по площадкам, наклоненным под углом 45° к оси, они равны по величине наибольшим касательным напря­жениям.

Различно ориентированные при кручении плоскости действия наибольших касательных и нормальных напряжений позволяют отчетливо отличить раз­рушение от среза и от отрыва (рис. 2) и соответственно определить величины сопротивления срезу и сопротивления отрыву, как это сделано, например, при определении сопротивления разрушению (отрыву или срезу) в зависимости от содержания углерода в низкоотпущенной стали (рис. 3). Хрупкое состояние материала характеризуется появлением трещины и распространением разру­шения по винтовой поверхности. Пластичные, материалы разрушаются от сдвига, как правило, в плоскости поперечного сечения образца. Дополнитель­ные расслоения и разрушения по продольному направлению свидетельствуют о неоднородности структуры материала.

Метод определения основных механических характеристик металлов при кручении регламентируется ГОСТом 3565—58 [8]. Процесс нагружения при испытании на кручение подобен принятому при растяжении. Образец предва­рительно нагружается моментом, соответствующим напряжению, составляю­щему приблизительно 10% от ожидаемого предела пропорциональности; после­дующее нагружение осуществляется равными ступенями; рекомендуется, чтобы число нагружений до достижения предела пропорциональности было по край­ней мере не менее пяти. В результате испытания образца на кручение обычно строится кривая кручения в координатах «момент кручения М—относитель­ный угол закручивания » ( где — угол закручивания в радианах, определяемый как разность углов закручивания крайних сечений рабочей длины /о образца) или «момент кручения — относительный максимальный сдвиг

 

» (, где d – диаметр образца).

 

Малые деформации при кручении измеряются оптико-механическими тен­зометрами, устанавливаемыми на образец с помощью струбцин в крайних сечениях рабочей длины образца, или тензодатчиками сопротивления, которые наклеиваются на образец в двух взаимно перпендикулярных направлениях под углом 45° к его оси.

 

При использовании оптико-механических тензометров [2] типа зеркального прибора Мартенса (рис. 4) на каждой ступени нагружения приращение угла закручивания для сечений, находящихся на расстоя­нии lо, определяется разностью абсолютных углов поворота а, которые фикси­руются по прибору как разность отсчетов : .

где L — расстояние от зеркал до измерительных линеек прибора Мартенса. По приращениям подсчитываются соответствующие приращения угла за­кручивания и относительного максимального сдвига .

В пределах упругости (до точки Mпц кривой кручения) определяется мо­дуль сдвига (модуль II рода, модуль касательной упругости) G как , где — разность крутящих моментов в пределах пропорцио­нальной зависимости М от —соответствующая разность относитель­ных углов закручивания; Jр — полярный момент инерции сечения (для сплошного круглого сечения диаметром d ). Зная модуль нормальной упругости материала Е, по найденному при испытании на кручение G можно подсчитать коэффициент Пуассона по формуле .

Ординаты кривой кручения Мпц, Мо,3, Мя определяют условные (номи­нальные, расчетные) характеристики сопротивления материала сдвигу (предел пропорциональности , предел текучести и предел прочности ), которые подсчитываются по формулам упругого кручения: , где W – момент сопротивления сечения (для сплошного круглого сечения ).

 

 

Кручение вызывает неравномерное распределение напряжений по сечению образца уже в упругой области (рис. 5). Переход в упруго-пластическую об­ласть происходит поэтому не­ одновременно по всему сечению, пластически деформиро­ванная зона возникает

у по­верхности образца и распро­страняется к центру по мере роста крутящего момента [9]. В силу этого (см. рис. 5) зна­чение условного (номинального) предела текучести , рассчитанного в предположе­нии упругого кручения, пре­вышает величину истинного (действительного) предела те­кучести , определенного при том же допуске на остаточную деформацию, но учитывающего действительное распределение напряжений по сечению скру­чиваемого образца. Для конструкционных материалов это превышение составляет 20—25%. Иногда пре­дел текучести определяется в предположении, что все сечение образца пласти­чески деформировано, при этом упрочнением пренебрегают, тогда .

Истинное сопротивление сдвигу, отражающее действительное распреде­ление напряжений по сечению скручиваемого образца, определяется по фор­муле Людвика — Кармана (или Людвика — Надаи) [5] как максимальное касательное напряжение , где r=d/2. Значение производной находится графически путем прове­дения касательных к кривой кручения в координатах «М—» с помощью зер­кальной линейки (рис. 6). Допуск на остаточную деформацию сдвига для определения предела текучести при кручении составляет 0,3% и эквивалентен допуску при растяжении. Действительно, в общем случае значение макси­мального сдвига gmax=emax-emin (emax и emin —наибольшее и наименьшее удлинение), при растяжении в пластической области emin = -0.5 emax и, сле­довательно, gmax = 1,5 emax. При принятом допуске на остаточное удлинение emax =0,2%, эквивалентный допуск на сдвиг составит gmax=0,3%. В области малых деформаций можно принимать максимальный истинный сдвиг gmax, равным относительному максимальному сдвигу .

Истинный предел текучести tо.з рассчитывается по кривой истинных на­пряжений . Определение tо.з по значению Mо.з из кривой кручения приводит к получению завышенного значения предела текучести (рис. 7), так как за пределом упругости кривая моментов идет круче, чем кривая напряжения .

 

Истинное сопротивление, сдвигу (истинный предел прочности при круче­нии) tk—конечная ордината кривой . Как правило, кривая кру­чения на конечной стадии вблизи точки разрушения практически параллельна оси абсцисс, поэтому, полагая .

 

Пластичность при кручении, соответствующая моменту разрушения, харак­теризуется обычно значениями остаточного относительного угла закручивания и сдвига или величиной истинного максимального сдвига , опреде­ляемого по формуле Надаи

.

 

Большие углы закручивания с достаточной степенью точности отсчитываются по угловым лимбам испытательной машины. Для определения предельного. угла закручивания образцов из очень пластичных металлов рекомендуется перед испытанием нанести риску по оси образца, тогда число витков, которое образует риска после испытания, умноженное на 2, определит угол закру­чивание. Для сопоставления поведения материала при кручении и других видах нагружения результаты испытания на кручение представляются обычно кри­выми «» или «», где - октаэдрическое касательное напряжение: - октаэдрический сдвиг (см. стр. 34).