Испытание металлов на кручение
Обновлено: 24.04.2024
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Испытание на кручение и минимальные крутящие моменты для болтов и винтов номинальных диаметров от 1 до 10 мм
Mechanical properties of fasteners. Part 7. Torsional test and minimum torques for bolts and screws with nominal diameters 1 mm to 10 mm
Дата введения 2011-01-01
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении" (ФГУП "ВНИИНМАШ") на основе аутентичного перевода на русский язык стандарта ФГУП "Стандартинформ", рег. N 3006/ISO от 28.09.2007 г., указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 229 "Крепежные изделия"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 10 декабря 2009 г. N 699-ст
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
1 Область применения
Минимальные разрушающие крутящие моменты недействительны для установочных винтов с шестигранным углублением под ключ.
2 Нормативные ссылки
Указанные ниже нормативные документы содержат положения, которые посредством ссылок в данном тексте составляют положения настоящего стандарта. Для нормативных документов с указанием даты публикации, на которые имеются ссылки, не распространяется действие последующих изменений или пересмотров этих документов.
3 Испытание на кручение
3.1 Метод испытания
Полный текст этого документа доступен на портале с 20 до 24 часов по московскому времени 7 дней в неделю .
Также этот документ или информация о нем всегда доступны в профессиональных справочных системах «Техэксперт» и «Кодекс».
Испытание металлов на кручение
Металлы. Метод испытания на кручение
Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы, а также на изделия из них и устанавливает методы статических испытаний на кручение при температуре 20 (+15/-10) град. Цельсия для определения характеристик механических свойств и характера разрушения при кручении. Стандарт не устанавливает методы испытаний на кручение в условиях повышенной и пониженной температуры, вакуума, химическим активных сред и лучевого воздействия.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НА КРУЧЕНИЕ
ГОСТ 3565-80
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ
Министерством высшего и среднего специального образования СССР
Государственным комитетом СССР по стандартам
ИСПОЛНИТЕЛИ
Н. Д. Соболев; Е. И. Тавер; Р. Н. Рыньков (руководители темы); В. Ю. Гольцев; Г. П. Гузенков; Н. А. Алимова
ВНЕСЕН Министерством высшего и среднего специального образования СССР
Член Коллегии Н. Н. Иващенко
УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30 мая 1980 г. № 2445
Method of torsional test
ГОСТ
3565-80
Взамен
ГОСТ 3555-58
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30 мая 1980 г. № 2445 срок действия установлен
с 01.07.1981 г.
до 01.07.1991 г.
Настоящий стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы, а также на изделия из них и устанавливает методы статических испытаний на кручение при температуре для определения характеристик механических свойств и характера разрушения при кручении.
Стандарт не устанавливает методы испытаний на кручение в условиях повышенной и пониженной температуры, вакуума, химически активных сред и лучевого воздействия.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1 . Термины, определения и обозначения, применяемые в настоящем стандарте, приведены в обязательном приложении 1 .
1.2 . По результатам испытания образцов на кручение производят определение следующих механических характеристик:
предела прочности (условного),
предела прочности (истинного),
максимального остаточного сдвига,
характера разрушения (срез или отрыв).
2. ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
2.1 . Для испытания на кручение может быть использована испытательная машина, которая обеспечивает:
свободное кручение образцов без каких-либо дополнительных нагрузок на образце в течение всего процесса испытания;
центрирование образца в захватах с несоосностью не более 0,1 мм на каждые 100 мм;
(Измененная редакция, Изм. № 1 ).
плавность статического нагружения (без толчков и ударов);
свободное перемещение одного из захватов вдоль оси образца;
измерение нагрузки с погрешностью, не превышающей ± 1 % от величины измеряемой нагрузки, начиная с 0,2 наибольшего значения каждого диапазона, но не ниже 0,04 предельной нагрузки;
вариации показаний силоизмерителя при повторных нагружениях и нагрузке, не превышающие допускаемую погрешность силоизмерения;
возможность нагружения с точностью одного наименьшего деления шкалы силоизмерителя испытательной машины;
сохранение постоянства показаний силоизмерителя в течение не менее 30 с;
измерение угла закручивания с погрешностью, не превышающей ±1°.
3. ОБРАЗЦЫ
3.1 . Для испытания на кручение в качестве основных применяют цилиндрические образцы с диаметром в рабочей части 10 мм и с расчетной длиной 100 и 50 мм, с головками на концах для закрепления в захватах испытательной машины.
Примечание . Расчетной длиной считают длину цилиндрической части образца, на которой производят измерение угловой деформации. Измерительная база прибора должна располагаться в средней части образца. Испытания образцов из металлопродукции диаметром менее 5 мм проводится только с учетом требований стандартов на эти виды продукции.
3.2 . Допускается испытание образцов и изделий, пропорциональных нормальным, а также трубчатых образцов.
Примечание . Результаты испытания трубчатых образцов могут быть использованы только при отсутствии потери их устойчивости.
3.3 . Форма и размеры головок образца определяются способом крепления образца в захватах испытательной машины.
3.4 . Переход от рабочей части образца к его головкам должен быть плавным с радиусом закругления не менее 3 мм.
3.5 . Разность между наибольшим и наименьшим диаметром на рабочей части основного образца не должна превышать 0,2 % номинального значения диаметра.
3.6 . Измерение диаметра образца производится с погрешностью не более 0,01 мм, а его длины с погрешностью не более 0,1 мм.
3.7 . Проверку размеров образца проводят до испытания измерительным инструментом, обеспечивающим требования п. 3.6 .
3.8 . Технология изготовления образцов не должна оказывать влияния на механические свойства исходного материала.
3.9 . Шероховатость поверхности рабочей части основных цилиндрических образцов должна соответствовать Rа < 0,63 мкм по ГОСТ 2789-73 .
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
4.1 . При испытании на кручение величину нагрузки отсчитывают с точностью до одного деления шкалы силоизмерителя. Точность измерения углов соответствует цене деления угломера. Вычисление механических характеристик по результатам испытаний проводится с точностью 1 %.
4.2 . Определение модуля сдвига при кручении .
4.2.1 . Устанавливают и закрепляют испытуемый образец в захватах испытательной машины. Нагружают образец крутящим моментом, соответствующим начальному касательному напряжению т0, составляющему 10 % ожидаемого предела пропорциональности материала, закрепляют на рабочей части образца угломер и отмечают первоначальное показание угломера, принимаемое за нулевое.
4.2.2 . Нагружение образца крутящим моментом осуществляют равными ступенями (не менее трех) таким образом, чтобы напряжения в образце не превышали предела пропорциональности, и регистрируют на каждой ступени нагружения углы закручивания образца на его расчетной длине. Время регистрации угла закручивания не должно превышать 10 с.
4.2.3 . Модуль сдвига при кручении ( G ) в МПа (кгс/мм 2 ) вычисляют по формуле
где D Т - ступень нагружения, Н × мм (кгс × мм);
l - расчетная длина образца, мм;
D j - среднее арифметическое значение углов закручивания на расчетной длине образца, приходящихся на одну ступень нагружения, рад;
I р - полярный момент инерции, мм 4 .
Примечание . Для образца круглого сечения диаметром D полярный момент инерции вычисляют по формуле
Для трубчатого образца кольцевого сечения с внешним диаметром D и толщиной стенки d
4.2.4 . Пример определения модуля сдвига при кручении приведен в справочном приложении 2 .
4.2.5 . Модуль сдвига при кручении может быть также определен по тангенсу угла наклона прямолинейного участка диаграммы деформации, соответствующего упругому деформированию, если масштаб диаграммы обеспечивает не более 0,01 % относительного сдвига на 1 мм оси абсцисс и не более 1 МПа (0,102 кгс/мм 2 ) касательного напряжения на 1 мм оси ординат.
4.3 . Определение предела пропорциональности при кручении
4.3.1 . Выполняют операции, установленные в п. 4.2.1 .
4.3.2 . Догружают образец вначале большими, а затем малыми ступенями, отмечая после каждой ступени нагружения угловую деформацию. Нагружение большими ступенями осуществляют до 80 % ожидаемого предела пропорциональности. Ступени малых нагружений выбирают так, чтобы до достижения предела пропорциональности было не менее пяти ступеней малых нагружений. Значение малой ступени нагружения должно соответствовать увеличению касательного напряжения не более 10 МПа (1,02 кгс/мм 2 ).
4.3.3 . Испытание прекращают, когда угловая деформация от нагружения на малую ступень превысит не менее чем в два раза среднее значение угловой деформации, полученное на предыдущих ступенях нагружения на линейном участке.
4.3.4 . Определяют значение приращения угла закручивания на малую ступень нагружения на линейном участке. Полученное значение увеличивают в соответствии с принятым допуском. По результатам испытаний определяют нагрузку Тпц, соответствующую подсчитанному значению приращения угла закручивания. Если вычисленная в соответствии с принятым допуском величина угловой деформации повторяется несколько раз, то за нагрузку Тпц принимают первое (меньшее) значение нагрузки.
Примечание . В случаях, когда необходимо уточненное значение предела пропорциональности, допускается применение линейной интерполяции.
4.3.5 . Нагрузка Тпц может быть также определена по диаграмме деформации, показанной на черт. 1 , если масштаб диаграммы обеспечивает не более 0,05 % относительного сдвига на 1 мм оси абсцисс и не более 5 МПа (0,51 кгс/мм 2 ) касательного напряжения на 1 мм оси ординат.
4.3.5.1 . Для определения Тпцпо диаграмме проводят прямую ОЕ, совпадающую с начальным прямолинейным участком кривой деформации. Через точку О проводят ось ординат ОТ, затем прямую АВ, параллельную оси абсцисс на произвольном уровне, и на этой прямой откладывают отрезок kn , равный половине отрезка mk . Через точку п и начало координат проводят прямую On и параллельно ей касательную CD к кривой деформации. Ордината точки касания F соответствует Тпц.
4.3.6 . Предел пропорциональности при кручении ( t пц ) в МПа (кгс/мм 2 ) вычисляют по формуле
где Wp - полярный момент сопротивления, мм 3 .
Примечание . Для образца круглого сечения момент сопротивления вычисляют по формуле
Для трубчатого образца кольцевого сечения -
4.3.7 . Пример определения предела пропорциональности при кручении приведен в справочном приложении 3 .
4.4 . Определение предела текучести при кручении
4.4.1 . Выполняют операции, установленные в пп. 4.2.1 и 4.3.2 - 4.3.4 . Деформацию до предела пропорциональности считают упругой, а за пределом пропорциональности - остаточной.
4.4.2 . Вычисляют относительный сдвиг ( g пц ) в процентах по формуле
где j пц - угол закручивания образца на его расчетной длине, соответствующий пределу пропорциональности при кручении, рад;
D - диаметр рабочей части образца, мм;
l - расчетная длина образца, мм.
4.4.3 . Прибавляют к относительному сдвигу g пц допуск на остаточный сдвиг 0,3 % и по величине g пц + 0,3 % находят соответствующий пределу текучести угол закручивания расчетной длины образца.
4.4.4 . Продолжают нагружение образца за пределом пропорциональности до тех пор, пока не будет достигнут угол закручивания j т , соответствующий значению g пц + 0,3 % и фиксируют нагрузку Тт, соответствующую пределу текучести.
4.4.5 Нагрузка Тт может быть также определяться по диаграмме деформаций, показанной на черт. 2 , если масштаб диаграммы обеспечивает не более 0,05 % относительного сдвига на 1 мм оси абсцисс и не более 5 МПа (0,51 кгс/мм 2 ) касательного напряжения на 1 мм оси ординат.
4.4.5.1 . Для определения Тт от начала координат О откладывают по оси абсцисс отрезок ОЕ, соответствующий остаточному сдвигу g = 0,3 %. Начальная криволинейная часть диаграммы исключается. Из точки Е проводят прямую, параллельную прямой ОА, до пересечения с кривой (точка М). Ордината точки М пересечения прямой с кривой диаграммы является значением нагрузки Тт, соответствующей пределу текучести.
4.4.6 . Предел текучести при кручении t 0 ,3 в МПа (кгс/мм 2 ) вычисляют по формуле
4.4.7 . Пример определения предела текучести приведен в справочном приложении 4 .
4.5 . Определение условного предела прочности при кручении
4.5.1 . Устанавливают и закрепляют образец в захватах испытательной машины и нагружают до разрушения, фиксируя разрушающую нагрузку Тк. Одновременно регистрируют максимальный угол закручивания j max на расчетной длине образца, который используется при подсчете g max (см. п. 4.7 ).
4.5.2 . Условный предел прочности при кручении ( t пч ) в МПа (кгс/мм 2 ) вычисляют по формуле
4.6 . Определение истинного предела прочности при кручении
4.6.1 . Устанавливают и закрепляют образец в захватах испытательной машины и нагружают до появления пластических деформаций.
4.6.2 . Ступенчато догружают образец до разрушения, фиксируя нагрузки Т i и соответствующие им углы закручивания j i на расчетной длине образца в процессе монотонного деформирования образца с заданной скоростью.
4.6.3 . Вычисляют относительные углы закручивания ( J i ) в рад/мм по формуле
4.6.5 . Истинный предел прочности при кручении ( t к ) в МПа (кгс/мм 2 ) вычисляют по формуле
где Тк- крутящий момент при разрушении образца, кгс × мм;
J к - относительный угол закручивания при разрушении образца, рад/мм;
- величина, определяемая графически согласно п. 4.6.4.
4.7 . Максимальный остаточный сдвиг при кручении ( g max ) вычисляют по формуле
если величина сдвига не превышает 0,1 рад. При большей деформации максимальный остаточный сдвиг определяют по формуле
где j max - максимальный угол закручивания на расчетной длине образца, рад (п. 4.5.1).
Допускается выражать g max в процентах, путем умножения подсчитанной величины на 100.
Примечание . Для пластичных металлов, у которых величина упругой деформации относительно мала (не более 10 % от общей деформации), допускается принимать общий сдвиг за остаточный. Для малопластичных металлов, у которых упругая деформация относительно велика, для определения максимального остаточного сдвига следует вычитать из общего сдвига g max упругий сдвиг g y , вычисляемый по формуле
где t пч - условный предел прочности при кручении данного материала, МПа (кгс/мм 2 );
G - модуль сдвига данного материала, МПа (кгс/мм 2 ).
4.8 . Указанные в п. 1.2 механические характеристики могут определяться по результатам испытания на кручение одного образца путем совмещения соответствующих операций, указанных в пп. 4.2 - 4.7 .
4.9 . Примерная форма протокола испытания на кручение цилиндрических образцов приведена в справочном приложении 5 .
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Обязательное
ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
1 . Термины, определения и обозначения, общие для всех методов испытаний, приведены в ГОСТ 16504-81 .
2 . Термины, определения и обозначения, относящиеся к испытаниям на кручение, приведены в таблице.
1. Модуль сдвига - отношение касательного напряжения к упругой угловой деформации в точке
2. Предел пропорциональности при кручении - касательное напряжение в периферийных точках поперечного сечения образца, вычисленное по формуле для упругого кручения, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и углом закручивания достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации и осью нагрузок, увеличивается на 50 % своего значения на линейном участке.
Примечание . При наличии в стандартах или технических условиях на металлопродукцию особых указаний, допускается определять предел пропорциональности при кручении с иным допуском на увеличение тангенса угла наклона касательной. В этом случае значение допуска должно быть указано в обозначении, например t пц25
3. Предел текучести при кручении - касательное напряжение, вычисленное по формуле для упругого кручения, при котором образец получает остаточный сдвиг, равный 0,3 %
4. Предел прочности при кручении - касательное напряжение, равное отношению наибольшего момента при кручении, предшествующего разрушению, к полярному моменту сопротивления сечения образца для испытания
5. Истинный предел прочности при кручении - наибольшее истинное касательное напряжение при разрушении образца, вычисленное с учетом перераспределения напряжений при пластической деформации
6. Максимальный остаточный сдвиг при кручении - максимальная угловая деформация в точке на поверхности образца для испытаний в момент разрушения
7. Срез или отрыв - характер разрушения при кручении.
Примечание . Определяется по ориентации поверхности разрушения. Разрушение от касательных напряжений (путем среза) происходит по поперечному сечению образца. Разрушение от растягивающих напряжений (путем отрыва) происходит по винтовой поверхности, след которой на наружной поверхности образца образует винтовую линию, касательная к которой направлена под углом примерно 45° к оси образца.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ПРИМЕР ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ СДВИГА ПРИ КРУЧЕНИИ
Испытуемый материал - углеродистая сталь.
момент инерции поперечного сечения
расчетная длина и база угломера l = 100 мм;
цена деления шкалы угломера - 0,00025 рад.
Ожидаемый предел пропорциональности t пц = 250 МПа.
Начальное напряжение t 0 = 25 МПа, что соответствует моменту Т0 = 4905 Н × мм, округленно принимаем Т0 = 5000 Н × мм.
Максимальная нагрузка Т в Н × мм, отвечающая 80 % нагрузки ожидаемого предела пропорциональности, равна
Принимаем Т = 39000 Н × мм.
Для получения трех ступеней в указанном интервале нагрузок ступень нагружения ( D Т ) в Н × мм вычисляем по формуле
Испытание на кручение стали, чугуна и древесины
Лабораторная работа №5 по испытанию на скручивание образцов из стали, чугуна и древесины (видео).
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.
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
- Какие напряжения возникают в поперечном сечении круглого вала при кручении? Как они направлены? По какому закону распределяются? Написать формулу для определения касательных напряжений.
- Возникают ли напряжения в продольных сечениях вала, проходящих через его ось? Если да, то как это доказать?
- Какое напряженное состояние возникает в каждой точке круглого бруса при кручении?
- Возникают ли по какому-либо сечению круглого вала нормальные напряжения при кручении?
- Как разрушается при кручении круглый образец из пластичного материала? Какие напряжения вызывают это разрушение?
- Как разрушается при кручении круглый образец из хрупкого материала (чугун)? Почему?
- Как разрушается при кручении образец из дерева? Почему?
Читайте также: