Лабораторный практикум по курсу «Теория обработки металлов давлением»

М.В. Жаров

Лабораторный практикум по курсу "Теория 

обработки металлов давлением"

Учебно-методическое пособие

Москва

Инфра-М

2015

М.В. Жаров

Лабораторный практикум по курсу "Теория 

обработки металлов давлением"

Учебно-методическое пособие

Москва

Инфра-М; Znanium.com

2015

Жаров, М.В.

Лабораторный практикум по курсу "Теория обработки металлов 

давлением":   Учебно-методическое пособие / М.В. Жаров. – М.: Инфра-М; 
Znanium.com, 2015. – 34 с.

ISBN 978-5-16-104225-0 (online)

В 
данном 
учебно-методическом 
пособии 
рассматривается 
курс 

лабораторных 
работ 
по 
дисциплине 
"Теория 
обработки 
металлов 

давлением", 
позволяющий 
студентам 
постичь 
основы 
проведения 

механических испытаний металлических материалов и самостоятельно, на 
практике, определить механические свойства металлов и сплавов.

Учебно-методическое 
пособие 
предназначено 
для 
студентов 

технологических специальностей технических ВУЗов  и  слушателей 
профессионально-технических учреждений,  обучающихся по специальности 
"Обработка металлов давлением".

ISBN 978-5-16-104225-0 (online)
© М.В. Жаров, 2015

Лабораторный практикум по курсу "Теория обработки металлов давлением"

3

Лабораторная работа № 1 

КРИВЫЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ 

КРУЧЕНИИ

1.1.  ИСПЫТАНИЯ НА КРУЧЕНИЕ

Испытание на кручение цилиндрического образца осуществляется 

двумя одинаковыми по величине и противоположно направленными 

крутящими моментами М (рис.1), которые прикладываются к концам 

образца в плоскостях, нормальных к его продольной оси. В отличие от 

испытания на сжатие или изгиб при испытаниях на кручение до  разру
шения можно довести любой материал.

Испытания на одноосное растяжение (или сжатие) осложнены не
равномерностью пластической  деформации,  поэтому и целесообразно 

использовать нагружение на сдвиг в виде  кручения  цилиндрических 

образцов круглого сечения для изучения пластичности материалов.

Положительные моменты испытаний материалов на кручение:

1. Тождество деформаций образца в сечениях по всей его рабочей 

длине от начала испытания до разрушения,  причем и поперечное  сече
ние и рабочая длина практически сохраняют свои размеры постоянны
ми.

2. Четкая  связь свойств прочности металлов с видом разрушения 

по которому легко устанавливается характер  разрушения  (что, срез или 

отрыв имеет решающее значение на конечной стадии испытания).

Вид разрушения при кручении дает возможность судить, что было 

его причиной:  предельное значение сопротивления срезу 
н или сопро
тивление отрыву Sт пластически скрученного материала.  Максимальные 

касательные напряжения  
мах при кручении  действуют  в плоскостях, 

перпендикулярных оси образца,  наибольшие же нормальные напряже
ния  Sмах под углом 450. При кручении  может получаться еще и третий 

вид разрушения  - "древовидный" или "щепообразный" (характерен  для  

М.В. Жаров 

4

кованного  или   волочѐнного вдоль  оси образца  металла с загрязне
ниями неметаллического и ликвационного характера),  вследствие по
нижения  сопротивления сдвигу металла в сечениях, продольных оси.

Из вышеизложенного  вытекает возможность использования ис
пытания на кручение для выявления двойственного характера прочности 

многих высокопрочных металлов. 

Испытания на кручение проводят на специальных машинах, кото
рые должны   обеспечивать  надежную  центровку образца,  плавность 

нагружения и  отсутствие изгибающих усилий, возможность достаточно 

точного задания и измерения величины крутящего момента. Использу
ются машины с горизонтальным и вертикальным расположением  об
разца. Максимальный крутящий момент существующих машин меняется 

от 60 Н м до 2 мН м.  Основные узлы этих машин - станина,  привод,  от 

которого вращается активный захват,  силоизмеритель  с несколькими 

шкалами нагрузок, диаграммный механизм,  счетчик оборотов и угломер 

для определения угла закручивания образца.

При проведении испытаний зависимость момента кручения М  от 

величины угла  кручения  устанавливается  экспериментально в виде 

кривой кручения в координатах М, 
(рис. 2).

Диаграмма в координатах М состоит из участка кривой упру
гой (ОА) и пластической деформации (АС) (рис.2). По аналогии с дру
гими статическими испытаниями (например, при испытаниях на растя
жение) при кручении определяют   условные   пределы   пропорцио
нальности,   упругости,  текучести и 

прочности. Но все эти свойства выражают не через нормальные, а через 

касательные напряжения.

Предел пропорциональности при кручении 
пц - это  условное ка
сательное напряжение, при котором отступление от линейной зависимо

Лабораторный практикум по курсу "Теория обработки металлов давлением"

5

сти между напряжениями и деформациями достигает такой величины, 

когда  тангенс  угла  ,  образуемый касательной к диаграмме кручения 

и осью деформаций , не превышает начальное  значение tg
на 50%.

Точке А на диаграмме соответствует  предел  упругости  ( упр) при 

кручении,  или наибольшее напряжение сдвига, которое выдерживает 

образец, не обнаруживая остаточной деформации при нагрузке. Точке В 

соответствует условный предел текучести при кручении s, которому со
ответствует  остаточный  относительный         сдвиг       на       0,3%, 

характеризующий     распространение остаточной деформации по рабо
чей части образца при нагружении последнего.

Рис. 1. Схема процесса испытаний на кручение

М - момент кручения, измеряемый испытательной машиной в Н м (кгс

м; кгс см);

- угол кручения для двух сечений, находящихся на расстоянии L0;

- условный относительный сдвиг у поверхности образца.

М.В. Жаров 

6

кр

Рис.2.   Диаграмма кручения в координатах М .

Точке С  соответствует  предел  прочности  или  максимальное дей
ствительное напряжение на сдвиг  при  разрушении  s = кр  при МВ=Мкр

(поскольку кривая кручения в координатах М в своей конечной час
ти становится почти  параллельной  оси  абсцисс  и  соотношение  dМ/d

равно  0).

Кривая кручения в координатах М отличается  от  кривой рас
тяжения в координатах Р- L тем, что не имеет площадки текучести (для 

образцов со сплошным сечением) и  участка  с  падением нагрузки, так  

Лабораторный практикум по курсу "Теория обработки металлов давлением"

7

как  при кручении пластическая деформация по длине образца до конца 

испытания,  как правило,  равномерна,  а сечение остается неизменным.

1.2.  МЕТОДИКА  ПРОВЕДЕНИЯ  РАБОТЫ

1. Измерить диаметр и длину рабочей части образцов для испытаний 

на кручение с помощью микрометра и штангенциркуля. Материал об
разцов - Ст.3, Д16.

2. Провести  испытания  образцов на кручение на вертикальной кру
тильной машине (МК-50) с максимальным  крутящим  моментом  500 

Н м. Причем,  для образца из сплава Д16 нагружение проводить с интер
валом M = 2,5 Н м,  а для образца из Ст.3 - с интервалом  M= 10 Н м, с 

расчетом получения 3-4 точек в упругой области и 6-7 точек в области 

пластической деформации.  В качестве меры нагрузки в процессе испы
тания фиксируется момент кручения M,  а в качестве меры деформации 
угол закручивания . Во время испытаний каждый захват машины  по
ворачивается на определенный угол (больший у активного захвата).  

Угол закручивания образца равен разности  этих углов. Однако он 

включает в себя деформации зажимов и головок образца. Поэтому угол 

закручивания определяют  на  расчетной  длине L0, помещая  датчики 

тензометра на некотором расстоянии от головок образца. Полученные 

данные сводятся в таблицу 1.

Таблица 1

Протокол испытаний на кручение

№
M
1
2
ср

H м
град.
град.
град.
рад.

М.В. Жаров 

8

(рад.)= 
ср(град.)/180                          (1)

3. В  процессе  испытания  необходимо отметить Mупр - момент кру
чения, соответствующий 
упр пределу  упругости  (пределу пропор
циональности)  и Мкр - момент кручения при разрушении образца.

4. На основании протокола испытаний строится кривая кручения в 

координатах М (на отдельном листе миллиметровой бумаги).

5. Проводится определение мах в упругой области по формуле:

мах   =   M / W                                      
(2)

M - момент кручения, Н м

W - момент сопротивления круглого сечения радиусом r0, м3.

W =  ( 
r0

3 ) / 2                                      (3)

мах =  3M /   ( 
r0

3 ) = 16M /   ( 
d0

3 )               (4)

Определяется истинная деформация сдвига gmax по формуле, извест
ной из теории пластичности:

где   
- условный относительный сдвиг у поверхности образца, рад.

=  
d0 / 2L0
(6)  

Причем величина  d0 / 2L0 - постоянная.

В упругой области это уравнение упрощается 

gmax = lg ( 1+ )                                 (7)

так как члены уравнения 2/2  и  2/4  отбрасываются из-за их малой 

величины.

6. В области пластической деформации  мах определяется  по фор
муле

gmax
ln 1
2
1
4

2
2

(5)

Лабораторный практикум по курсу "Теория обработки металлов давлением"

9

max
1

2
3
4
3

0
3

0
3
r
M
dM
d
d
M
dM
d

где  
- удельный угол закручивания в рад. на 1 мм;  
=  
/ L0.

Рис.3.  Кривая кручения в координатах М,

I - область упругой деформации

II - область пластической деформации.

Определение величины  dM/d
производится графическим путем 

по полученной экспериментально   кривой   кручения   в   координатах 

(8)