G01N3 / 26 - дослідження міцнісних властивостей при скручуванні або навивці
G01N3 / 22 - шляхом застосування постійних моментів, що скручують (G01N 3/26, G01N 3/28 мають перевагу)
Власники патенту RU 2300750:
Державна освітня установа вищої професійної освіти "Пермський державний технічний університет" (RU)
Винахід відноситься до випробувальної техніці. Сутність: навантажують циліндричний зразок крутінням, заміряють крутний момент, реєструють кут закручування і розраховують величину граничної напруги зсуву. Замір крутного моменту виробляють при досягненні однорідної пластичної деформації, про яку судять по постійному навантаженні при крученні. Технічний результат: підвищення точності випробувань. 2 мул.
Винахід відноситься до способів випробування матеріалів і може бути використано при дослідженні міцності властивостей матеріалів при навантаженні крутінням.
Відомий спосіб визначення механічних властивостей матеріалів (А.С. №1195225, бюлл. №44, 1985), за яким навантажують циліндричний зразок крутінням і реєструють кут закручування, за яким судять про механічні властивості матеріалу.
Недоліком даного способу є те, що, по суті, досліджуються стадія руйнування і пластичні властивості матеріалу. Спосіб може бути використаний лише для порівняльної оцінки механічних властивостей матеріалів при випробуванні на крутіння, оскільки не наводиться жодних залежностей для визначення конкретних механічних характеристик матеріалів.
Відомий також традиційний спосіб визначення дотичних напружень (зсуву) при крученні, що полягає в навантаженні циліндричного зразка крутінням, реєстрації кута закручування і крутного моменту, визначенні максимального дотичного напруження по формулі (Феодос'єв В.І. Опір матеріалів. - М. Наука, 1970, с .85):
де Мкр - крутний момент, Нм;
- полярний момент опору;
d - діаметр циліндричної частини зразка.
Слід зазначити, що формула (1) відповідає пружному станом матеріалу зразка, якому відповідав би лінійний розподіл дотичних напружень по перерізу зразка. У центрі зразка дотичні напруження # X003C4; = 0, в поверхневих шарах # X003C4; = # x003C4; мах. яке визначається формулою (1).
При збільшенні крутного моменту зразка відбувається перехід матеріалу з пружного стану в пластичне, і формула (1) не буде справедливою.
Таким чином, недоліком способу по прототипу є низька точність при його застосуванні для пластичного стану зразка.
Завдання винаходу - підвищення точності способу.
Поставлена задача була вирішена за рахунок того, що у відомому способі визначення граничної напруги зсуву, за яким навантажують циліндричний зразок крутінням, заміряють крутний момент і реєструють кут закручування, завмер крутного моменту виробляють при досягненні однорідної пластичної деформації, про яку судять по постійному навантаженні при крученні , а величину граничної напруги зсуву розраховують за формулою:
де Мкр - заміряний крутний момент, Нм;
d - діаметр робочої циліндричної частини зразка, м.
Ознаки запропонованого способу, відмінні від ознак способу по прототипу, - завмер крутного моменту виробляють при досягненні однорідної пластичної деформації, про яку судять по постійному навантаженні при крученні, а величину граничної напруги зсуву розраховують за формулою:
де Мкр - заміряний крутний момент, Нм;
d - діаметр робочої циліндричної частини зразка, м.
На фіг.1 наведена характерна діаграма "крутний момент - кількість оборотів" при випробуванні на крутіння, на фіг.2 - епюра дотичних напружень при стані плинності.
На діаграмі, представленої на фіг.1, виділяються два характерних ділянки. Ділянка 1 діаграми відповідає пружному поведінки матеріалу зразка, яке визначається рівнянням опору матеріалів (1). Ділянка 2 діаграми відповідає однорідної пластичної деформації, що характеризується станом плинності матеріалу зразка. При досягненні випробовуваним зразком стану плинності відбувається безперервне зростання кута закручування при постійному навантаженні (моменті). При стані плинності дотичні напруження, рівні граничного напруження зсуву (межа плинності на зрушення), будуть діяти по всьому перетину зразка. Пластична деформація виникає з поверхні зразка, поширюючись всередину зразка, в граничному випадку захоплюючи все перетин зразка. Граничного стану буде відповідати епюра дотичних напружень, представлена на фіг.2. Для граничного стану характерно сталість дотичного напруження, рівного граничному напрузі зсуву (ts # X0200A; пр) по всьому перетину зразка.
Результуючий крутний момент при пластичному стані може бути визначений таким чином:
де R - радіус циліндричної частини зразка.
З огляду на, що по всьому перетину # X003C4; =, зі співвідношення (2) після інтегрування по r отримаємо
Зі співвідношення (3) визначимо значення граничного напруження зсуву (границі текучості на зсув)
де d = 2R - діаметр циліндричної частини зразка.
Приклад конкретної реалізації способу.
Запропонований спосіб був використаний для визначення граничної напруги зсуву (границі текучості на зсув) при випробуваннях циліндричних зразків діаметром 9,8 мм і довжиною робочої частини 10,5 см зі сталі 03Х14Н7В, використовуваної при виготовленні валів відцентрових насосів для нафтової промисловості. При випробуваннях характерним з'явився вихід на постійне значення крутного моменту і збереження постійного значення Мкр = 225,4 Нм (23 кгсм) до руйнування. Руйнування зразка сталося після закручування на 9 оборотів і 140 # x000B0 ;, тобто загальний кут закручування склав 3380 # x000B0 ;. За формулою (4) отримали
Слід зазначити, що при використанні відомого способу по прототипу і формули (1) отримали
# X003C4; мах = 1220,36 МПа.
Таке значення дотичного напруження насправді бути не може, оскільки # X003C4; мах не може перевищувати граничного напруження зсуву (границі текучості на зсув).
Таким чином, відомий спосіб по прототипу за умови # X003C4; мах = дає завищені в 1,33 рази результати за значенням, що може привести до помилкових результатів як при оцінці міцності конструкцій, так і при виконанні технологічних розрахунків.
Пропонований спосіб дозволяє визначати більш точно значення граничного напруження зсуву (границі текучості на зсув), використовуючи реальний механізм пластичного деформування в процесі випробувань на крутіння.
Спосіб визначення граничної напруги зсуву, за яким навантажують циліндричний зразок крутінням, заміряють крутний момент, реєструють кут закручування і розраховують величину граничної напруги зсуву, що відрізняється тим, що завмер крутного моменту виробляють при досягненні однорідної пластичної деформації, про яку судять по постійному навантаженні при крученні.