Испытаеия материалов на сдвиг и кручение
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА СДВИГ И КРУЧЕНИЕ Методические указания к выполнению лабораторных работ 4 - 8 по курсу «Сопротивление материалов» для всех специальностей всех форм обучения Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета Саратов 2006 2 ВВЕДЕНИЕ При проектировочных расчетах элементов машин и сооружений на прочность, жесткость и устойчивость необходимо знать механические свойства материалов. Поэтому материалы испытывают на растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб и твердость. Все испытания проводят в строгом соответствии с государственными стандартами. Методы испытаний материалов на растяжение и сжатие были изложены в методических указаниях «Испытания материалов на растяжение и сжатие». В данном руководстве приводятся методические указания к выполнению 5 лабораторных работ по сопротивлению материалов, в которых проводятся испытания различных материалов на сдвиг и кручение. МАШИНЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ Для испытаний применяют машины, позволяющие производить нагружение образца, измерять величины приложенных к нему усилий и полученных им перемещений. Лабораторные работы 4, 5, 6 проводят на универсальной испытательной машине УММ-5. Внешний вид и кинематическая схема этой машины были представлены в методическом указании «Испытания материалов на растяжение и сжатие», в котором были приведены методики выполнения лабораторных работ 1, 2, 3 (растяжение и сжатие материалов). Лабораторную работу 5 (испытания на кручение) проводят на машине КМ-50 (рис. 1), развивающей максимальный крутящий момент Рис. 1 500 Нм. Кинематическая схема этой машины, представленная на рис. 2, содержит: А – силовой узел. Электродвигатель 1, передает вращательное движение через клиноременную передачу 2, червячные передачи 3 и 7, зубчатые передачи 4 и 5 на ходовой винт 6. Б – рабочий узел. Для закрепления образцов машина снабжена клиновидными захватами. Нижний захват 8 соединен с ходовым винтом. Крутящий момент через испытываемый образец 9 передается на неподвижный захват 10, связанный с силоизмерительным узлом системой шестерен 11. В – силоизмерительный узел. Для измерения крутящего момента машина снабжена маятниковым силоизмерителем. Момент, передаваемый 3 верхнему захвату, вызывает отклонение маятника 12 до тех пор, пока создаваемый маятником момент не уравновесит момент, воспринимаемый образцом от привода машины. При отклонении маятник перемещает зубчатую рейку, приводящую во вращение шестерню, связанную с круговой шкалой величин крутящих моментов 13. Диаграмма испытания записывается на миллиметровой бумаге, закрепленной на барабане диаграммного устройства 14. Отсчет угла закручивания производится по шкале 15, установленной на ходовом винте. 2 Á À 11 10 9 7 4 13 8 15 1 3  6 12 14 5 Рис. 2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 ИСПЫТАНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ ОБРАЗЦОВ НА СКАЛЫВАНИЕ ВДОЛЬ ВОЛОКОН Работа проводится в соответствии со стандартом [8]. Цель работы: определение временного сопротивления древесины при сдвиге вдоль волокон. Порядок выполнения работы и обработка результатов опыта Для испытания древесины на скалывание вдоль волокон применяют образец и приспособление, изображенные на рис. 3. Перед испытанием образец измеряют с точностью до 0,1 мм. Затем образец устанавливают в приспособление так, чтобы длинная часть образца плотно прилегала к вертикальной опорной стенке и прижимают винтом между опорной стенкой и подвижной опорой. Сила прижима образца к приспособлению должна быть равна 5-9 Н. Приспособление устанавливают между нижним и верхним захватами универсальной 4 испытательной машины и прикладывают нагрузку. Скорость нагружения – 4 мм/мин. По шкале машины фиксируется разрушающая нагрузка FB, Н. Временное сопротивление τВ, Па, вычисляется: F B В . a 28 a 70 l F Рис. 3 Отчет о работе должен содержать: 1) эскиз образца до испытания со всеми размерами; 2) эскиз приспособления для испытания; 3) эскиз образца после испытания; 4) величину временного сопротивления при скалывании вдоль волокон. Стандартом [8] испытания на скалывание вдоль волокон проводят по тангенциальным и радиальным плоскостям. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5 ИСПЫТАНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ ОБРАЗЦОВ НА ПЕРЕРЕЗАНИЕ ПОПЕРЕК ВОЛОКОН Работа проводится в соответствии со стандартом [9]. Цель работы: определение временного сопротивления древесины при сдвиге поперек волокон. Порядок выполнения работы и обработка результатов опыта Для испытания древесины на перерезание поперек волокон применяют образец и приспособление, изображенные на рис. 4 а, б. 5 Перед испытанием образец измеряют с точностью до 0,1 мм. Образец 5 закладывают в корпус 3 приспособления между ножом 1 и матрицей 4, закрепляют с помощью прижимных планок 6 и винтов 2. Приспособление закладывают между нижней и верхней опорными плитами, вставленными в захваты универсальной испытательной машины и прикладывают нагрузку. По шкале машины фиксируют разрушающую нагрузку FB, Н. Временное сопротивление τВ, Па, вычисляется: F B В . 2a b 1 F 2 a 6 b 3 d 4 5 a б Рис. 4 Отчет о работе должен содержать: 1) эскиз образца до испытания со всеми размерами; 2) эскиз приспособления для испытания; 3) эскиз образца после испытания; 4) величину временного сопротивления древесины при перерезании поперек волокон. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИСПЫТАНИЕ СТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА НА СРЕЗ 6 íîæ î áðàçåö Цель работы: определение временного сопротивления стали при срезе. Приспособление для испытания на срез (рис. 5) состоит из матрицы и ножа. Матрица имеет вкладыш из закаленной стали с вырезом, в который проходит нож. ì àò ðèöà Рис. 5 Матрицу устанавливают на опорную плиту нижнего захвата универсальной испытательной машины УММ-5. Нож должен совпадать с вырезом матрицы. При сближении захватов машины опорная плита верхнего захвата давит на нож, который входит в вырез матрицы и перерезает образец по двум плоскостям (рис. 6). По шкале машины фиксируют разрушающую нагрузку FB, Н. Ç d ï ëî ñêî ñò è ñðåçà Рис. 6 Порядок выполнения работы и обработка результатов опыта 1. Заносят в табл. 1 диаметр образца d и величину разрушающей нагрузки FB. 2. Подсчитывают площадь среза Аср, м2: d 2 d 2 A СР 2A 2 , 4 2 где А, м2 – площадь одного поперечного сечения образца. 3. Подсчитывают временное сопротивление τВ, МПа, при срезе: FB 10 6 . В A СР Все полученные расчетом данные заносят в протокол механических испытаний (табл. 1). Таблица 1 Протокол механических испытаний. Матер Размеры образца иал образц диамет площадь р а А, м2 d, мм Площадь среза Аср, м2 Разрушаю щая нагрузка FВ, кН Временное сопротивление при срезе В , МПа Замечание: Во время испытания на срез стальной образец испытывает деформации изгиба, которые не учитываются. Для хрупких материалов напряжения изгиба могут достигать временного сопротивления 7 раньше, чем произойдет сдвиг. Отчет о работе должен содержать: 1) эскиз образца до и после испытания со всеми размерами; 2) схему прибора для испытания на срез; 3) опытные данные и вычисления, по которым определяются все величины, входящие в протокол механических испытаний; 4) протокол механических испытаний. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИСПЫТАНИЕ СТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА НА КРУЧЕНИЕ ДО РАЗРУШЕНИЯ d Работа проводится в соответствии со стандартом [6]. Цель работы: опытное определение механических характеристик и угла закручивания стального образца при кручении. Испытание образца производят на машине КМ-50. Образцы для испытания на l кручение имеют цилиндрическую форму. Длина ℓ рабочего участка образца согласно стандарту [6] должна быть равной 10·d, где d – L диаметр образца (берется 10-25 мм) (рис. 7). Рис. 7 В результате испытания разрушение стального образца происходит без образования шейки (рис. 8), незаметно и бесшумно, по Рис. 8 сечению, перпендикулярному к оси образца. Образец в месте разрушения имеет вид полированной блестящей поверхности, как бы срезанной ножом. Продольная черта, Рис. 9 нанесенная на поверхность образца, обращается в винтовую линию. Разрушение чугунного образца при кручении происходит внезапно и резко, с шумом, как при разрыве, и всегда по наклонному сечению (рис. 9). В месте разрушения хорошо видны следы отрыва металла. Порядок проведения работы и обработка результатов опыта 8 Ó ÓÏ ÓÒ Для проведения испытания измеряют диаметр образца с точностью до 0,01 мм и расчетную длину образца ℓ с точностью до 0,1 мм. Вдоль образца прочеркивают прямую линию, подготавливают записывающее устройство. На диаграмме кручения стали (рис. 10) так же, как и на диаграмме растяжения, отмечают наклонный прямолиненйный участок ОА, соответствующий напряжениям, не превышающим предела пропорциональности, и криволинейный участок АВС, на котором закон Гука не выполняется. Наивысшая точка Ì êð диаграммы соответствует наибольшему крутящему моменту, величину которого отмечают на контрольной Ñ Ì êð стрелке силоизмерительного устройства после разрушения образца. Ì êðÒ Â Соответственно наибольшее Ì êðÏ À напряжение, которое выдерживает образец, является временным сопротивлением В. Î В отличие от диаграммы j растяжения стали на диаграмме jП кручения почти не заметно площадки jВ текучести, соответствующей пределу Рис. 10. текучести Т. Это явление объясняется тем, что в поперечном сечении образца напряжения при кручении распределены неравномерно, и поэтому одновременно во всех точках напряжения никогда не бывают равными пределу текучести Т. После разрушения образца записывают разрушающую нагрузку МВ, отмечают угол закручивания. На полученной диаграмме измеряют ординаты ее точек УВ, УТ, УПЦ, мм, соответствующие временному сопротивлению В, пределу текучести Т, пределу пропорциональности ПЦ. Вычислив масштаб диаграммы m = MВ /УВ, Нм/мм, находят соответственно величины крутящих моментов МТ, МПЦ, кНм: М Т m У Т , М ПЦ m У ПЦ . Затем определяют механические характеристики, то есть временное M M сопротивление В В , предел текучести Т Т и предел WР WР 9 d 3 пропорциональности ПЦ , где для круглого сечения WP . WР 16 В качестве характеристики пластичности находят удельный угол закручивания радиан на 1 пог. м. M ПЦ Полученные результаты вносят в табл. 2: Таблица 2 Протокол механических испытаний. Размеры образца Материал образца Крутящие моменты, кНм Напряжения, МПа d, , WP, мм мм см2 МПЦ МТ МВ ПЦ Т В Угол закручивания (остаточный) полный удельный В, В, радиан радиан на 1 пог. м. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ СТАЛИ G ПРИ СДВИГЕ Цель работы: проверка закона Гука при кручении и определение модуля упругости G стали при сдвиге. Оборудование Испытания проводятся на опытной установке, изображенной на рис. 11. Испытываемый стальной вал 2 левым концом жестко защемлен в опоре 1 и шарнирно оперт в опорах 3. На валу жестко закреплены грузовой рычаг 6, на котором подвешен поддон для грузов 4 и толкатель 7, в пятку которого упирается наконечник индикатора часового типа 8. Индикатор крепится в держателе 9. При нагружении поддона грузовой рычаг создает на валу крутящий момент, а сечение вала, где закреплен толкатель, поворачивается на угол φ. Стрелка индикатора показывает величину горизонтального перемещения пятки толкателя. 10 Вал имеет размеры: d = 1,485 см., ℓ = 50 см. Длина плеча толкателя ρ = 25.5 см. Длина плеча грузового рычага r = 25.5 см. Кроме опытной установки для выполнения лабораторной работы требуются: отвертка – 1 шт.; гири по 2 Н – 3 шт. l d 1 3 r 8 6 2 4 7 9 5 F Рис. 11 Порядок проведения работы и обработка результатов опыта r Перед испытаниями закрепляют индикатор в держателе с помощью отвертки. На грузовой поддон установки помещают последовательно грузы весом 2 Н, записывая показания индикатора. Результаты испытаний заносят в протокол механических испытаний (табл. 3). Далее необходимо подсчитать: È – угол закручивания вала φ, рад (рис. 12): 0.01 И CP ; 10 – полярный момент инерции поперечного сечения вала JP, м4: J P 0.1 d 4 10 8 ; – модуль F Рис. 12 сдвига G, Па: 11 М КСР 10 2 10 2 . G JP Таблица 3 Протокол механических испытаний Вес Крутящий № груза, момент п/п Н МК , нм Разность смежных значений ∆МК, Нм Количество делений по индикатору И Разность смежных отсчетов по индикатору ∆И 1 2 … n Среднеарифметическое значение МКi МКCP 6 Среднеарифметическое значение И i И CP 6 Отчет о работе должен содержать: 1) эскиз опытной установки; 2) протокол механических испытаний; 3) величины угла закручивания, полярного момента инерции поперечного сечения вала, модуля сдвига. ЛИТЕРАТУРА Основная 1. ГОСТ 7564-97. Сталь. Общие правила отбора проб заготовок и образцов механических и технологических испытаний [Текст]. – Взамен ГОСТ 7564-73; введ. 1999-01-01. – Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации; – М.: Изд-во стандартов, 2002. – 12 с. 2. ГОСТ 16483.0-89. Древесина. Методы отбора образцов и общие требования при физико-механических испытаниях [Текст]. – Взамен ГОСТ 16483.0-78; введ. 1990-01-07. – М.: Изд-во стандартов, 1999. – 10 c. 3. ГОСТ 12015-66. Пластмассы. Изготовление образцов для испытания из реактопластов. Общие требования [Текст]. – Введ. 1966-2504. – М.: Изд-во стандартов, 1999. – 5 с. 4. ГОСТ 12019-66. Пластмассы. Изготовление образцов для 12 испытания из термопластов. Общие требования [Текст]. – Введ. 1967-0101. – М.: Изд-во стандартов, 1999. – 5 с. 5. ГОСТ 12423-66. Пластмассы. Условия кондиционирования и испытаний образцов (проб) [Текст]. – Введ. 1967-01-07. – М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1981. – 6 с. 6. ГОСТ 3565-80. Металлы. Метод испытания на кручение [Текст]. – Взамен ГОСТ 3565-58; введ. 1980-30-05. – М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1980. – 14 с. 7. ГОСТ 16483.12-72. Древесина. Метод определения предела прочности при скалывании поперек волокон [Текст]. – Взамен ГОСТ 11496-65; введ. 1973-01-01. – М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1985. – 4 с. 8. ГОСТ 16483.5-73. Древесина. Методы определения предела прочности при скалывании вдоль волокон [Текст]. – Взамен ГОСТ 16483.5-70; введ. 1974-01-07. – М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1999. – 6 с. 9. ГОСТ 16483.13-72. Древесина. Методы определения предела прочности при перерезании поперек волокон [Текст]. – Взамен ГОСТ 11496-65; введ. 1973-01-01. – М: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1985. – 4 с. Дополнительная 10. Александров А.В. Сопротивление материалов: учеб. для вузов/ А.В.Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин – М.: Высшая школа, 1995. – 560 с. ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА СДВИГ И КРУЧЕНИЕ Методические указания к выполнению лабораторных работ 4-8 по курсу «Сопротивление материалов» для всех специальностей всех форм обучения Составили: ГИЛЬМАН Александр Абрамович ПОПОВА Наталья Евгеньевна Рецензент Г.А. Саврасов Корректор Н.Н. Крылова Лицензия ИД № 06268 от 14.11.01 13 Подписано в печать Формат 60x84 1/16 Бум. тип. Усл. печ.л. Уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ Бесплатно Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 14
