Испытание на кручение

Лабораторная работа № 5

Испытание материалов на кручение

Цель работы – выявить характер и причины разрушения образцов из различных материалов.

Основные сведения

При кручении круглого вала в плоскостях, перпендикулярных к его продольной оси, и в плоскостях, проходящих через эту ось, возникают только касательные напряжения, т.е. напряженное состояние во всех точках – чистый сдвиг (рис. 5.1). 

При этом в плоскостях, расположенных под углом 45° к оси вала, действуют только нормальные (главные) напряжения. Причем нормальные и касательные напряжения во величине равны между собой, т.е. 

σ1τσ3 = - τ
Напряжения при кручении
Нормальные и касательные напряжения при кручении
Рис. 5.1. Анализ напряженного состояния при кручении
Разрушение чугунного и стального вала при кручении
Разрушение деревянного вала при кручении
Рис. 5.2. Характер разрушения образцов из различных материалов при кручении:
а – чугун; б – сталь; в – дерево

По характеру разрушения при кручении можно судить, каким напряжениям (нормальным или касательным) хуже сопротивляется материал, из которого изготовлен вал.

Так, вал из хрупкого материала, хуже сопротивляющегося растяжению, чем сжатию, например, из чугуна, разрушается обычно по винтовой линии от действия главных растягивающих напряжений (рис. 5.2,а).

Вал, изготовленный из пластичной стали, разрушается по поперечному сечению (рис. 5.2, б), т.к. нормальные напряжения для него оказываются менее опасными, чем касательные.

При разрушении деревянного вала происходит скалывание вдоль образующей, т.к. древесина плохо сопротивляется действию касательных напряжений вдоль волокон (рис. 5.2, в).

Порядок проведения испытаний

Испытание на кручение цилиндрических образцов диаметром до 150 мм проводится на специальной машине К-3. Поворот активного захвата машины относительно пассивного осуществляется шкивом через редуктор вручную или при помощи электродвигателя. Машина снабжена счетчиком числа оборотов активного захвата.

Для проведения испытания любого образца необходимо:
  • закрепить образец в захватах машины, провести мелом образующую;
  • измерить диаметр образцов, расстояние между захватами и записать в журнал наблюдений;
  • счетчик числа оборотов установить на нуль;
  • вращая шкив (вручную), довести образец до разрушения;
  • по счетчику оборотов определить угол закручивания образца при разрушении;
  • вынуть образец из захватов машины и проанализировать характер его разрушения;
  • изобразить в журнале наблюдений эскизы испытуемых образцов после разрушения и напряженное состояние элементов на поверхности образца, сделать вывод о причине разрушения.

Контрольные вопросы

  1. Какие напряжения возникают в поперечном сечении круглого вала при кручении? Как они направлены? По какому закону распределяются? Написать формулу для определения касательных напряжений.
  2. Возникают ли напряжения в продольных сечениях вала, проходящих через его ось? Если да, то как это доказать?
  3. Какое напряженное состояние возникает в каждой точке круглого бруса при кручении?
  4. Возникают ли по какому-либо сечению круглого вала нормальные напряжения при кручении?
  5. Как разрушается при кручении круглый образец из пластичного материала? Какие напряжения вызывают это разрушение?
  6. Как разрушается при кручении круглый образец из хрупкого материала (чугун)? Почему?
  7. Как разрушается при кручении образец из дерева? Почему?