幾種金屬材料彎曲性能試驗(yàn)方法的對(duì)比

劉連花，肖永通

廣東省科學(xué)院工業(yè)分析檢測(cè)中心，廣東 廣州 510650

金屬材料一直是最重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，其機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性.金屬在一定溫度條件下承受外力(載荷)作用時(shí)，抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機(jī)械性能(也稱為力學(xué)性能)，是零件設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù).衡量金屬材料機(jī)械性能的指標(biāo)主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、疲勞、沖擊韌性等.

金屬材料的彎曲試驗(yàn)可表征材料的強(qiáng)度和塑性.針對(duì)塑性好的金屬材料，彎曲試驗(yàn)主要用來(lái)測(cè)試試樣承受變形的能力，表征材料的塑性；針對(duì)脆性或低塑性的材料，彎曲試驗(yàn)主要測(cè)定其彎曲強(qiáng)度、斷裂撓度等，表征材料的強(qiáng)度.如不同熱處理工藝加工的熱模鋼H13試樣，在測(cè)試彎曲性能時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖1所示的兩種情況.對(duì)于金屬材料彎曲性能的測(cè)試有幾種不同的方法，其測(cè)試原理、結(jié)果評(píng)定、適用的材料等都不同[1].針對(duì)幾種試驗(yàn)方法進(jìn)行匯總、對(duì)比，為試驗(yàn)人員在針對(duì)不同試樣測(cè)試彎曲性能時(shí)選擇最適用的方法提供一定的指導(dǎo)作用.

圖1 熱模鋼H13

1 塑性金屬材料

針對(duì)塑性好的金屬材料，彎曲試驗(yàn)主要用來(lái)測(cè)試試樣承受變形的能力.表征材料的塑性，分為單向彎曲和反復(fù)彎曲兩種試驗(yàn)方法.常見(jiàn)的塑性好的金屬材料有鋁和其合金，以及銅和其合金、Q235B鋼等.

1.1 單向彎曲

單向彎曲試驗(yàn)的原理是以圓形、方形、矩形或多邊形橫截面的試樣在彎曲裝置上經(jīng)受彎曲塑性變形，不改變加力方向，直至達(dá)到規(guī)定的彎曲角度.其目的是測(cè)定金屬材料承受彎曲塑性變形的能力，如GB/T 5585對(duì)銅及其合金母線、鋁及其合金母線彎曲性能的要求是彎曲角度90 °且表面應(yīng)不出現(xiàn)裂紋.

《GB/T 232-2010 金屬材料-彎曲試驗(yàn)方法》是塑性金屬材料測(cè)試彎曲性能應(yīng)用最廣泛的方法標(biāo)準(zhǔn)，其可用于測(cè)試金屬板材、帶材、型材等，但不適用于金屬管材和金屬焊接接頭[2].焊接接頭彎曲試驗(yàn)采用《GB/T 2653-2008 焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，金屬管彎曲試驗(yàn)采用《GB/T 244-2008 金屬管彎曲試驗(yàn)方法》，裸電線單向彎曲試驗(yàn)采用《GB/T 4909.6-2010 裸電線試驗(yàn)方法 第6部分：彎曲試驗(yàn)-單向彎曲》.

GB/T232，GB/T244和GB/T4909.6對(duì)彎曲試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定規(guī)定：如相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)未有具體要求，彎曲試驗(yàn)后不使用放大儀器觀察試樣彎曲外表面無(wú)可見(jiàn)裂紋，即評(píng)定為合格[3-4].GB/T 2653規(guī)定：彎曲試驗(yàn)后，試樣的外表面和側(cè)面都應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定；除非另有規(guī)定，在試樣表面上存在小于3 mm的缺欠應(yīng)判為合格[5].

試驗(yàn)人員可根據(jù)試樣的具體情況選擇相適用的方法標(biāo)準(zhǔn)，其具體的試驗(yàn)設(shè)備、試樣要求、試驗(yàn)程序等詳見(jiàn)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn).

1.2 反復(fù)彎曲

反復(fù)彎曲試驗(yàn)的原理是將試樣一端固定，繞規(guī)定半徑的圓柱支輥彎曲90 °，再沿相反方向彎曲的重復(fù)彎曲試驗(yàn)，目的是測(cè)定金屬線材或薄板反復(fù)彎曲塑性變形能力.

《GB/T 235-2013 金屬材料-薄板和薄帶反復(fù)彎曲試驗(yàn)方法》，主要適用于厚度等于或小于3 mm的金屬薄板和薄帶[6]；《GB/T 238-2013金屬材料-線材反復(fù)彎曲試驗(yàn)方法》，適用于直徑或特征尺寸為0.3～10 mm的金屬線材[7]；《GB/T 4909.5-2010 裸電線試驗(yàn)方法 第5部分：彎曲試驗(yàn)-反復(fù)彎曲》，適用于裸電線，其包括標(biāo)稱直徑為0.3～10.0 mm的銅、鋁及其合金、雙金屬線等圓截面導(dǎo)體，以及特征尺寸小于20.0 mm(包括20.0 mm)的異形截面導(dǎo)體(接觸線等)[8].

反復(fù)彎曲試驗(yàn)結(jié)果有三種表示方式：(1)連續(xù)試驗(yàn)，直至試樣完全斷裂時(shí)的彎曲次數(shù)；(2)連續(xù)試驗(yàn)，直至相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的彎曲次數(shù)未斷裂，評(píng)定為合格；(3)如果某些產(chǎn)品有特殊要求，可以根據(jù)規(guī)定連續(xù)試驗(yàn)，直至出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂紋為止并記錄彎曲次數(shù)，試樣斷裂的最后一次彎曲不計(jì)入彎曲次數(shù)nb，具體的試驗(yàn)設(shè)備、試樣要求、試驗(yàn)程序等詳見(jiàn)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn).

2 脆性或低塑性金屬材料

針對(duì)脆性或低塑性的金屬材料，彎曲試驗(yàn)主要測(cè)定金屬材料彎曲斷裂時(shí)的抗彎強(qiáng)度、斷裂撓度等力學(xué)性能，表征材料的強(qiáng)度.其原理是采用三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲方式，對(duì)圓形或矩形橫截面的試樣施加彎曲力直至斷裂，測(cè)定其一項(xiàng)或多項(xiàng)力學(xué)性能[9].常見(jiàn)的脆性或低塑性的金屬材料有鉻鋼、鎢合金、鑄鐵等.

現(xiàn)行的主要方法標(biāo)準(zhǔn)是《YB/T 5349-2014金屬材料-彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)較早的版本是GB/T 14452-1993，后調(diào)整為冶金部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T5349-2006.試樣采用圓形和矩形橫截面兩種形式，其尺寸、公差及表面要求應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議的規(guī)定.除另有規(guī)定外，宜根據(jù)材料和產(chǎn)品尺寸按標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5349的規(guī)定選用合適的試樣尺寸，而支承輥直徑、施力輥直徑和跨距應(yīng)根據(jù)試樣尺寸按標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5349的規(guī)定選用.

試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)按客戶的要求，給出相應(yīng)的力學(xué)性能值.最常見(jiàn)的是抗彎強(qiáng)度，即試樣彎曲至斷裂，斷裂前所達(dá)到的最大彎曲力，按彈性彎曲應(yīng)力公式計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力.

3 結(jié) 論

塑性好的金屬材料，彎曲試驗(yàn)主要用來(lái)測(cè)試試樣承受變形的能力，根據(jù)試驗(yàn)后試樣表面是否有裂紋而判定是否合格，有單向彎曲和反復(fù)彎曲兩種測(cè)試方法.脆性或低塑性的材料，彎曲試驗(yàn)主要測(cè)定其彎曲強(qiáng)度、斷裂撓度等力學(xué)性能.試驗(yàn)人員在實(shí)際測(cè)試中應(yīng)根據(jù)材料的特性及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎曲性能的要求，選擇最適用的方法.