Проведение испытаний и обработка их результатов.

Перед началом испытаний производится замер диаметр поперечного сечения и длины рабочей части образца (d и ). Результаты замера заносятся в таблицу (п.4). Затем образец закрепляется в захватах испытательной машины, включается аппаратура, перо потенциометра устанавливается в начальную точку и производится нагружение вплоть до момента разрушения образца. Если величины масштабов и заранее неизвестны, то перед началом испытаний производится тарировка измерительной системы.

Рис. 3а. Диаграмма кручения образца из пластичного материала.

Рис. 3б. Диаграмма кручения образца из хрупкого материала.

Результатом испытания образца является построение диаграммы кручения. Диаграмма кручения образца из малоуглеродистой стали приведена на рис. 3а. На ней можно отметить некоторые характерные участки или зоны. Участок ОА называется зоной упругости. В пределах этого участка справедлива линейная зависимость между крутящим моментом и углом закручивания (закон Гука при кручении). При дальнейшем увеличении крутящего момента закон Гука нарушается, и зависимость между М_К и становится нелинейной. Участок АД называется зоной упрочнения, здесь рост деформации образца сопровождается непрерывным увеличением крутящего момента. Точка Д соответствует разрушению образца.

Характерно, что в отличие от растяжения на диаграмме кручения образца из малоуглеродистой стали отсутствует участок падения нагрузки. Это связано с тем, что при кручении возникает равномерная по длине рабочей части образца деформация, а поперечные размеры образца практически не изменяются (шейки не образуется). При нагружении образца до точки А диаграммы (рис. 3а) возникает только упругая деформация, которая полностью исчезает при снятии внешней нагрузки. За пределами упругого участка в образце наряду с упругой возникает и остаточная (пластическая) деформация. Если произвести нагружение до некоторой точки К, лежащей в пределах участка ВД, а затем снять нагрузку, то линия разгрузки КО₁ пойдет практически параллельно участку ОА. Подобный эксперимент позволяет разделить полный угол закручивания в точке К(отрезок ОО₁) на упругую составляющую (отрезок О₁О₂) и пластическую или остаточную (отрезок ОО₁)

Если теперь снова нагрузить образец, то его диаграмма деформирования изобразится линией О₁КД. Таким образом, для образца, испытавшего предварительное нагружение за пределами упругости и разгрузку, зона пропорциональности (отрезок О₁К) увеличивается, а русурс остаточных деформаций (ресурс пластичности) уменьшается.

Отличием диаграммы кручения образцов из хрупких материалов (чугун, керамика, стекло) является очень малая величина остаточного угла закручивания , накопленного к моменту разрушения образца (рис. 3б).

На основе экспериментальной диаграммы кручения круглых образцов определяются следующие механические характеристики испытуемого материала.

Предел пропорциональности при кручении () – наибольшее касательное напряжение, превышение которого ведет к нарушению линейной зависимости между напряжением и деформацией. Согласно ГОСТ 3565-80 предел пропорциональности вычисляется для точек на поверхности рабочей части круглого образца по формуле для касательного напряжения, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и углом закручивания достигает такой величины, что тангенс угла наклона касательной к кривой деформирования и осью нагрузок увеличивается на 50% своего значения на линейном участке.

(3)

Значение крутящего момента определяется следующим образом (рис.4):

- проводят прямую ОЕ;

- на произвольном уровне проводят прямую АВ параллельную оси абсцисс. На этой прямой откладывают отрезок Кп, равный половине отрезка Км;

- через точку n и начало координат проводят прямую Оn и параллельную ей касательную CD к кривой деформации. Ордината точки касания (F) соответствует Мпц.

Предел упругости при кручении - наибольшее касательное напряжение, повышение которого вызывает появление остаточных деформаций

(4)

где М_у определяется по диаграмме кручения как крутящий момент, при котором величина относительного остаточного сдвига составляет 0, 00075 (0, 075%). Методика определения М_у полностью соответствует описанной ниже для предела текучести.

Предел текучести при кручении - касательное напряжение, соответствующей определенной величине допуска на остаточную деформацию в поверхностных точках рабочей части образца. ГОСТ 3565-80 определяет предел текучести как касательное напряжение, вычисленное по формуле для упругого кручения, при котором величина остаточного сдвига составляет 0, 003 (0, 3%).

Для определения нагрузки М_{0, 3} на оси абсцисс откладывают угол , соответствующий величине относительного сдвига (рис.5).

Затем из точки А проводится луч АС параллельный линейному участку диаграммы кручения. Ордината точки пересечения этого луча с диаграммой (точка Д) и есть момент М_{0, 3}. Касательное напряжение вычисляется по следующей формуле:

(5)

Предел прочности при кручении - напряжение, вызванное наибольшим крутящим моментом (М_В).

Для пластичных материалов, разрушение которых происходит в условиях возникновения остаточных деформаций, линейный закон распределения касательных напряжений по сечению нарушается. По этому для определения используется приближенная формула, полученная в теории пластичности

(6)

Рис. 4. к определению величины Мпц.	Рис. 5. к определению величины М0, 3.

Для хрупких материалов остаточные деформации, накопленные к моменту разрушения, малы, поэтому предел прочности можно приближенно определять по следующей формуле:

(7)

Перечисленные механические характеристики ( и ) определяют способность материала сопротивляться деформированию и разрушению, то есть являются характеристиками прочности.

Пластические свойства материала определяются величиной максимального остаточного сдвига. Согласно ГОСТ 3565-80 максимальный остаточный сдвиг при кручении определяется как максимальная угловая деформация в точке на поверхности образца в момент разрушения. Если угловые деформации малы то рассчитывается по следующей формуле:

(8)

При больших деформациях вычисляется истинная величина максимального остаточного сдвига:

Чем больше величина , тем, очевидно, более пластичным является испытуемый материал.

Вид разрушения образцов при кручении дает возможность судить о причине разрушения. Так например, если образец разрушается легко и бесшумно в плоскости, перпендикулярной оси, поверхность излома достаточно гладкая, то такой вид разрушения называется срезом (рис. 6а). Его причиной является превышение касательными напряжениями сопротивления данного материала сдвигу. Если образец разрушается с характерным треском по винтовой поверхности, нормаль к которой составляет с осью образца угол, примерно равный 45˚, поверхность излома зернисто-кристаллическая, то такой вид разрушения называется отрывом (рис. 6, б). Его причиной является превышение наибольшим главным напряжением σ ₁, возникающим в площадках наклоненных под углом 45˚ к оси образца, сопротивления исследуемого материала к отрыву.

Рис. 6. Характер разрушения образцов из пластичного (а) и хрупкого (б) материалов.

Иногда можно встретить и третий вид разрушения, он характеризуется образованием продольных трещин и расслоений, параллельных оси образца. Этот вид является разновидностью среза и характерен для анизотропных материалов (дерево, катанный, кованный металл).

Характерной особенностью диаграммы кручения образцов из хрупких материалов (чугун, стекло, керамика, горные породы) является малая величина максимального остаточного сдвига (рис. 3, б). Ресурс пластичности этих материалов весьма мал, поэтому разрушение образца происходит за счет возникновения трещины, перпендикулярной наибольшему растягивающему напряжению, на фоне очень малых пластических деформаций. Таким образом, процесс деформации сопровождается ростом нагрузки до некоторого предельного значения М_В, при котором происходит практически мгновенное распространение трещины по поперечному сечению образца.