فهرست
هدف آزمایش2.............................................................. تئوری آزمایش2............................................................. تئوری های شکست مواد6.............................................. شرح دستگاه 7.............................................................. نتایج9.......................................................................... سوال اول9................................................................ سوال دوم18.............................................................. سوال سوم19............................................................. خطاها علل وقوع آنها20.................................................. نتیجه گیری و کاربرد در صنعت21....................................... منابع21....................................................................... منابع:
1
هدف آزمایش: هدف آزمایش بررسی رابطه بین گشتاور پیچشششی اعمششال شششده و پیچش در میله ها برای فلزات مختلف و مطالعه حالت و علت گسیختگی می باشد. تئوری آزمایش: در مورد پیچش یک میله با مقطع دایره ای شکل هنگامی که بارگذاری در حد الستیک انجششام مششی گیششرد تنششش برشششی در نقطششه ای بششا شعاع rعبارت است از : τ=T.rIp
که در آن Tکوپل پیچش و Ipممان اینرسی سطح مقطع مششی باشششد کششه اگر شعاع استوانه r0باشد : Ip=πr042
و اگر 0τتنش برشی ماکزیمم در پوسته بیرونی باشد خواهیم داشت : τ0=2Tπr03
ولی بعد از گذشششتن از حششد السششتیک نمششی تششوان تنششش برشششی را از فرمول فوق محاسبه نمود .جهت بررسی مساله فوق ،یعنی برای تعیین تنش برشی به کمک منحنی کوپل بر حسب زاویه پیچش ،فرضششهای زیششر را در نظششر مشی گیریششم .فششرض مشی کنیشم یششک مشاده ایزوتششروپ در طششول بارگذاری و مقاطع عمود بر محور و سطح و شعاعهای آنها مستقیم باقی بماند .این فرضها شبیه به فرض هایی است که در مورد پیچش السششتیک یک میله با مقطع دایره ای در نظر گرفته می شود. 2
یک استوانه ایزوتششروپ بششا طششول واحششد و شششعاع r0را در نظششر مششی گیریم که تحت یک بارگذاری پیچشی پلستیک قرار گرفته است.
اگر γتغییر شکل برشی در شعاع rباشد : γ=tanφ r.θ=tanφ θ=γr=γ0r0
که 0γتغییر شکل برشی در لیه خارجی می باشد.
بنابراین کوپل پیچشی مقاوم از رابطه زیر بدست می آید: )T=0r0τ(2πr2dr
و از معادله قبل داریم : dr=dγθو r=γθ
بنابراین: 3
T=2πθ30r0τ.γ2.dγ
بنابراین اگر منحنی = f(γ)τمشخص باشد می توانیم منحنی T-θرا تعیین کنیم .با مرتششب کششردن مجششدد معششادله و دیفرانسششیل گرفتششن بششر حسششب θ خواهیم داشت : dT.θ32π=τ0γ02dγ=τ0γ02θ2r0dθ ddθTθ32π=τ0r03θ2 dTdθθ3+T.3θ2=2πr03θ2τ0 τ0=12πr033T+θdTdθ
توجه کنید که در رابطه بال جمله اول ،τ0=T2πr03 ،عبارت کوپششل بششر حسب تنش سیلن در حالت تمام پلستیک مقطع برای ماده ای است که کار سختی ندارد ) الستیک پلسششتیک کامششل( و همچنیششن هنگششامی کششه θ-γ خطی است θ-T ،نیز خطی خواهد بود و جمله دوم یعنششی
θdTdθ
مسششاوی
بشا Tخواهشد بشود و نهایتشا رابطشه بشال بشه رابطشه تنشش برششی در پیچشش الستیک یعنی ساده اول تبدیل می گردد.
4
تئوری های شکست مواد: مواد شکل پذیر: تئوری حداکثر تنش برشی )ترسکا( این تئوری بر اساس مشاهده ی تسششلیم مششواد شششکل پششذیر در اثر سر خوردن موادتحت صفحات مایل و بر اثششر تنششش برشششی مششی باشد براساس این تئوری yτبدست آمده از آزمششایش پیچششش برابششر 0.5σyبدست آمده از آزمایش کشش می نامند. تئوری حداکثر اتلف انرژی )ون مزیز( ایششن تئوری مبتنششی بششر محاسششبه اتلف انششرژی در مششاده ی داده شده است ،انرژی که موجب تغییر شکل در ماده می شود نه تغییر حجم .براسششاس ایششن تئوری yτبدسششت آمششده از آزمششایش پیچششش در بازه > 0.6σy yτ< 0.55σyقرار می گیرد. 5
مواد شکننده: تئوری ماکزیمم تنش نرمال)کولن( بر اساس این تئوری شکست در یک عضو زمانی رخ می دهششد کششه بیشششینه ی تنششش قششائم )نرمششال( بششه مقششدار σuبدسششت آمششده از آزمایش کشش برسد در این حالت τmaxبرابر σu0.5خواهد بود. شرح دستگاه : دستگاه آزمایش از دو واحششد بارگششذاری و انششدازه گیششری بششار تشششکیل مششی شود .نمونه مورد آزمایش بین این دو واحد و در دو فک ،که یکی در واحد اندازه گیری و دیگری در واحد بارگذاری واقع است ،قرار می گیرد. در واحد بارگذاری کوپل حاصششل از گششردش یششک موتششور الکششتریکی توسششط سیستم چرخ دنده و یک جعبه دنده به فک و سپس به نمششونه منتقششل مششی شود. برای اندازه گیری مقدار کوپل وارد به نمونه از یششک سیسششتم اهششرم بنششدی استفاده می شود .این کوپل مستقیما بوسیله صفحه مدرج انششدازه گیششری قرائت می گردد .این صفحه دارای 4مقیاس مشی باششد کشه متناسشب بشا کوپل مورد نظر یکی از این 4مقیاس انتخاب می گردند. دستور آزمایش: .1قطر نمونه های آزمایش را بدقت اندازه گیری نمایید. الف( آزمایش روی نمونه چدنی 6
.2نمونه چدنی را انتخاب نمائید. .3یک طرف نمونه را در فک واقع در واحد اندازه گیری ) فششک نزدیششک به صفحه مدرج( جای داده و واحد بارگذاری را بطرف دیگششر نمششونه بلغزانید .سپس کلیششد روشششن را فشششار داده و اهششرم تعششویض جهششت حرکت را در جهتی قرار دهید که فک واقع در واحد بارگذاری بطششور مناسب در مقابشل نمشونه قششرار گیششرد .سششپس اهشرم تعضشویع جهششت حرکششت را در وضششعیت میششانی قششرار داده و بششا فشششار دادن واحششد بارگذاری انتهای دیگر نمونه را در فک این واحد جای دهیششد .در ایششن حالت نمونه باید بطور آزاد در فکین دستگاه جششای گرفتششه و عقربششه صفحه مدرج عدد صفر نشان دهد. .4به کمک چرخ زیر صفحه مدرج مقیاس صفحه را برابششر 7500kg-cm انتخاب نمائید. .5عقربه آزاد صفحه را به کمک شاسی موجششود در وسششط منطبششق بششر عقربه درگیر نمائید. .6دسته جعبه دنده را روی عدد 3/10درجه در دقیقه قرار دهید. .7برای اندازه گیری زاویه چرخششش نمششونه و رسششم منحنششی (M=f(θاز یک کرنومتر استفاده می شود .کرنومتر واحد اندازه گیری دسششتگاه بایششد در فواصششل معیششن و بطششور همزمششان قششرائت گششردد .بششرای ایششن منظور یک نفر بازای هر 200kg-cmکوپل ،شماره ای اعلم می کند و نفر دیگر بلفاصله زمان را توسط کرنومتر قرائت مششی کنششد .ایششن عمل را تا شکستن نمونه ادامه دهید. .8منحنی (M=f(θرا برای این نمونه رسم نمائید M .کوپل پیچشی و θ زاویه پیچش نمونه می باشد. 7
ب( آزمایش روی نمونه آلومینیومی: .9نمونه آلومینیومی را انتخاب و اعمال شماره های 3تا 8را تکرار نمائید ،با این تفاوت که دسته جعبه دنده را روی عدد 90درجه در دقیقششه و مقیاس صفحه را روی عدد 3000kg-cmقرار دهید و قرائت ها نیششز بایششد تا 1200kg-cmدر فواصل 300و بیش از آن تا حد شکستگی با گام هششای 20صورت گیرد.
نتایج بدست آمده: سوال اول
داده هایی که آزمایش بدست آمد به صورت زیر است: برای مقطع هر دو نمونه هم اطلعات زیر بدست آمد. طول 93.5 93.5
قطر 17چدن 17الومینیوم
ابتدا اطلعات مربوط به نمونه چدنی time(mi
time(s
Torsio
Degree 8.6666
)n
)
n
degree
67 9.8888
2.6 2.9666
156 178
2500 2600
0.5 0.9444
8
time(mi
time(s
Torsio
)n
)
n
0.15 0.2833
9 17
200 400
33 0.4333
44 1.4444
67
89
600
26
33 0.5833
44 1.9444
2700
207
3.45 4.0666
11.5 13.555
800
35
33 0.7333
44 2.4444
2800
244
67 4.8166
56 16.055
1000
44
33 0.8833
44 2.9444
2900
289
67
56
1200
53
33
44
3000
342
5.7
19 22.333
1400
63
1.05 1.2166
3.5 4.0555
3100
402
6.7 7.8333
33 26.111
1600
73
67
56 4.6666
3200
470
33 9.0333
11 30.111
1800
84
1.4 1.6166
67 5.3888
3300
542
33 10.366
11 34.555
2000
97
67
89 6.3333
3400
622
67 0.4333
56 38.888
2200
114
1.9 2.3166
33 7.7222
3500
26
33 0.6666
89 41.222
2400
139
67
22
3550
40
67
22
.اطلعات مربوط به نمونه آلومینیومی در صفحه بعد آمده است Torsio
time(s
time(mi
degree
Torsio
time(s
time(mi
degree
n 300
) 6
n) 0.1 0.2166
2 1 2.1666
n 2920
) 609
n) 10.15 10.566
2 101.5 105.66
600
13
67 0.3166
67 3.1666
2940
634
67
67
900
19
67 0.4166
67 4.1666
2960
660
11 11.416
110 114.16
1200
25
67 0.5333
67 5.3333
2980
685
67
67
1500
32
33 0.6833
33 6.8333
3000
717
11.95
119.5
1800 2100
41 67
33 1.1166
33 11.166
3020 3040
744 778
12.4 12.966
124 129.66
9
67 2.8666
67 28.666
67 13.366
67 133.66
2400
172
67 3.8666
67 38.666
3060
802
67 13.933
67 139.33
2500
232
67 4.0666
67 40.666
3080
836
33
33
2520
244
67 4.2833
67 42.833
3100
876
14.6 15.266
146 152.66
2540
257
33
33
3120
916
67 15.883
67 158.83
2560
270
4.5 4.7333
45 47.333
3140
953
33 16.583
33 165.83
2580 2600
284 300
33 5 5.2333
33 50 52.333
3160 3180
995 1044
33 17.4 18.216
33 174 182.16
2620
314
33
33
3200
1093
67 18.983
67 189.83
2640
324
5.4 5.7833
54 57.833
3220
1139
33 19.933
33 199.33
2660
347
33 6.0333
33 60.333
3240
1196
33 20.816
33 208.16
2680
362
33
33
3260
1249
67 21.733
67 217.33
2700
378
6.3 6.6166
63 66.166
3280
1304
33 22.716
33 227.16
2720
397
67 6.9333
67 69.333
3300
1363
67
67
2740
416
33 7.2833
33 72.833
3320
1428
23.8 24.983
238 249.83
2760
437
33
33
3340
1499
33 0.7166
33 271.33
2780
456
7.6 7.9666
76 79.666
3360
43
67
33 287.33
2800
478
67
67
3380
75
1.25 1.7166
33 301.33
2820
495
8.25 8.6666
82.5 86.666
3400
103
67 2.2833
33 318.33
2840
520
67
67
3420
137
33 2.8666
33 335.83
2860
540
9
90
3440
172
67
33
10
357.83 33 363.33
3.6 3.7833
216
3460
93.5
9.35
561
2880
33
33
227
3465
98
9.8
588
2900
برای اینکه حد سیلن را پیدا کنیم ابتدا نمودار درجه بر حسشب نیشرو را رسم کرده و با حدس مقدار تقریبی نیششروی سششیلن را بدسششت آورده و بعد مقدار دقیق را بدست آوردیم.
برای بدست آوردن مقدار دقیق از نمودار های بال مقدار تقریششبی حدس زده شد و با استفاده از روش سعی و خطا بهششترین داده هششا بششرای خطی ماندن نمودار بدست آمد که به صورت زیر است.
همانطور که در شکل بال مشخص است مقششدار ضششریب رگرسششیون نزدیک به یک برای هر دو نمودار تایید کننده این موضوع اسششت کششه رفتششار ماده در این قسمت خطی است. 11
برای بدست آوردن مقدار تنش سیلن ابتدا نیششرو سششیلن را بدسششت می اوریم برای اینکار از دو نیرویی که یکی از آنها آخرین نیششروی موجششود در نمودارهای بالست و دیگری نیروی بعدیست میانگین می گیریم: برای چدن داریم F= F1+F22=2200+24002=2300
برای آلومینیوم داریم F= F1+F22=1800+21002=1950
که مقدار تنش از رابطه ای که در بخش تئوری آمد بدست می آید. τ0=2Tπr03
برای چدن τ0=2×2300×0.01×9.81π×0.00853=0.23MPa
برای آلومینیوم τ0=2×1950×0.01×9.81π×0.00853=0.2MPa
همانطور که از تنش ها پیداست و انتظار می رفت تنش انقطاع چششدن از آلومینیوم بیشتر است. تنش انقطاع برای هر یک از دو نمونه به صورت زیر است البته این تنش اسمی انقطاع است و تنش اسمی آن اندازه گیری نمی شود .چون چدن و آلومینیوم از مرحله خطی خارج شدند و به مرحله غیر خطی وارد شدند دیگر فرمول هایی کششه تنششش سششیلن محاسششبه شششد بکششار نمششی آیششد. فرمول زیر برای محاسبه استفاده می شود. 12
τ0=12πr033T+θdTdθ
برای استفاده از فرمول فوق باید مقدار
dTdθ
را بدسششت آورد.بششرای
این منظور نمودار T-θبرای نمونه های چدن و آلومینیوم رسششم کششرده و شیب را در انتهای آن بدست می آوریم.البتششه در ایششن نمششودار بایششد زاویششه برحسب رادیان باشد.
در نمودار بال باید شیب نمودار را برای قسمت آخر نمودار بدسششت آورد .برای اینکار بهترین منحنی را عبششور مششی دهیششم و از آن مشششتق مششی گیریم و در آن بدست می آوریم .بهترین منحنی بصورت زیر است.
مشتق عبارت بال برابر است با : dTdθ=83.22θ-0.778
که مقدار آن در = 0.715θبدست می آید: dTdθ=108.04
پس مقدار تنش برابر می شود با: τ0=0.29MPa
که این تنش ،تنش قطاع برای چدن است. برای آلومینیوم نیز مانند چدن عمل می کنیم
13
و با تقریب می توان اینگونه عمل کرد
مشتق عبارت بال برابر است با : dTdθ=39.28θ-0.85
که مقدار آن در = 6.34θبدست می آید: dTdθ=8.17
پس مقدار تنش برابر می شود با: τ0=0.27MPa
که این تنش قطاع آلومینیوم است.
14
سوال دوم برای سوال دوم با استفاده از نمونه هایی که تحششت کشششش هسششتند شکل ضمیمه در این جزوه آمده است. برای نمونه چدنی: Py=4560 kgf σy=Py/A A=πr2 σy=0.2MPa برای نمونه آلومینیومی: Py=8800 kgf σy=Py/A A=πr2 σy=0.38MPa همانطور که از نتایج بال و نتایجی که قبل بدست آمد مشخص است آلومینیوم حد سششیلن کششششی بیشششتری دارد و چششدن حششد سششیلن کشششش کمتری دارد .می توان اینگونه در نظششر گرفششت کششه آلومینیششوم از چششدن در کشش قوی تر است ولی چدن در پیچش قوی تر است.
15
سوال سوم برای میله آلومینیومی گسیختگی بوجود آمده صاف است که این به دلیل این است که تنش برشی ایجاد شده توسط پیچش بششاعث شکسششتن و گسیخته شدن جسم شده است زیرا آلومینیوم تقریبا به طشور قششایم بشر سطح گسیخته شده بود .همچنین گسیختگی از بیرون جسششم شششروع و تششا مرکز استوانه پیش رفته بود. برای میله چدنی وضع فرق می کرد زیرا چدن به صورت غیششر قششائم و تقریبا با زاویه 45درجه گسیخته شده بود .این امر بعلت این است کششه چدن بر اثر تنشی که در صفحه 45درجه ایجاد شده است گسیخته شده است که این تنش ها هم تنش نرمال هسششتند هششم تنششش برشششی.همچنیششن بعلت اینکه چدن یک فلز ترد است به این گونه گسیخته شده است.
16
خطاها علل وقوع آنها: خطاهایی که بعلت دسشتگاه مشی باششد در ایشن ازمشایش بشود بعلشت اینکششه دسششتگاه اتوماتیششک کششار میکششرد خیلششی محسششوس نبششود .امششا خطاهششایی کششه بخششاطر شششخص وجششود دارد بسششیار زیششاد بششود در ایششن آزمایش. •هنگام خواندن کرنومتر و خواندن زمان بعلششت اینکششه ایششن کششار توسششط دو شششخص انجششام مششی شششد خطششایی ایجششاد و دقیقششا همزمان با رسیدن پیچش بششه عششدد مششورد نظششر زمششان خوانششده نمی شد. •هنگام درگیر کردن نمونه با فک ابتدا باری به نمششونه داده مششی شود و سپس بار برداشششته مششی شششود و آزمششایش شششروع مششی شود .این بارگذاری ممکششن اسششت در جسششم اثششر پسششماند مششی گذارد که آن اثر در محاسبات در نظر گرفته نشد. •نمونه کار قبل تهیه شده بود و ممکن است که بارهایی هنگششام تهیه نمونه به ان وارد شده باشد. •هنگام خواندن از روی ضمیمه که برای ازمششایش هششای کشششش بود خطا رخ می دهد زیرا مقدار دقیق آن را نمی تششوان دقیششق خواند. •در محاسبات اعداد تا دو رقششم بعششد از اعشششار نوشششته شششده و استفاده شده است. •برای نمودار هششای توابششع حششدس زده شششده و ممکششن اسششت بششا واقعیت تفاوت داشته باشد. 17
نتیجه گیری و کاربرد در صنعت: نتایجی که از این آزمایش بدست آمد این است که مواد ترد به صورت مایل گسیخته مشی ششوند و موادی که انعطاف بیشتری دارد به صورت قائم بر مقطع کسیخته می شوند کششه مششی تششوان از ایششن نششتیجه استفاده کرد و برای سازه و وسایل که تحت کوپل پیچشی قرار دارند در نظر گرفت که کدام مصالح بهتر است. همچنین می توان نتیجه گرفت که مواد دارای رفتاری خطی و غیر خطی هسششتند کششه هنگششامی کششه جسم از رفتار خطی خود خارج نشود تمام تغییر شکلی کششه انجششام داده اسششت در صششورت بششار بششرداری بششه شکل اولیه خود باز میگردد .ولی وقتی که از رفتار خطی وارد رفتار غیر خطی خود شششود دیگششر بششه شششکل اولیه باز نمی گردد و همیشه تغییر شکلی در جسم به عنوان تغییر شکل پسماند باقی میماند. برای اینکه بتوان از مصالح و موادی که در سازه ها کوپل پیچشی بر آنها وارد می ششود ابتشدا بایشد این آزمایش و آزمایش هایی نظیر به این آزمایش انجام شود.مانند ستون ها.
منابع: •جزوه آزمایشگاه جامدات •کتاب مکانیک جامدات ،بیر-جانسون
18