幾種金屬材料彎曲性能試驗方法的對比

劉連花，肖永通

廣東省科學(xué)院工業(yè)分析檢測中心，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，抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機械性能(也稱為力學(xué)性能)，是零件設(shè)計和選材時的主要依據(jù).衡量金屬材料機械性能的指標(biāo)主要有強度、塑性、硬度、疲勞、沖擊韌性等.

金屬材料的彎曲試驗可表征材料的強度和塑性.針對塑性好的金屬材料，彎曲試驗主要用來測試試樣承受變形的能力，表征材料的塑性；針對脆性或低塑性的材料，彎曲試驗主要測定其彎曲強度、斷裂撓度等，表征材料的強度.如不同熱處理工藝加工的熱模鋼H13試樣，在測試彎曲性能時會出現(xiàn)如圖1所示的兩種情況.對于金屬材料彎曲性能的測試有幾種不同的方法，其測試原理、結(jié)果評定、適用的材料等都不同[1].針對幾種試驗方法進(jìn)行匯總、對比，為試驗人員在針對不同試樣測試彎曲性能時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

針對塑性好的金屬材料，彎曲試驗主要用來測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)彎曲兩種試驗方法.常見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.其目的是測定金屬材料承受彎曲塑性變形的能力，如GB/T 5585對銅及其合金母線、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-彎曲試驗方法》是塑性金屬材料測試彎曲性能應(yīng)用最廣泛的方法標(biāo)準(zhǔn)，其可用于測試金屬板材、帶材、型材等，但不適用于金屬管材和金屬焊接接頭[2].焊接接頭彎曲試驗采用《GB/T 2653-2008 焊接接頭彎曲試驗方法》，金屬管彎曲試驗采用《GB/T 244-2008 金屬管彎曲試驗方法》，裸電線單向彎曲試驗采用《GB/T 4909.6-2010 裸電線試驗方法 第6部分：彎曲試驗-單向彎曲》.

GB/T232，GB/T244和GB/T4909.6對彎曲試驗結(jié)果的評定規(guī)定：如相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)未有具體要求，彎曲試驗后不使用放大儀器觀察試樣彎曲外表面無可見裂紋，即評定為合格[3-4].GB/T 2653規(guī)定：彎曲試驗后，試樣的外表面和側(cè)面都應(yīng)進(jìn)行檢驗，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定；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)，其具體的試驗設(shè)備、試樣要求、試驗程序等詳見相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn).

1.2 反復(fù)彎曲

反復(fù)彎曲試驗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，目的是測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 裸電線試驗方法 第5部分：彎曲試驗-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)彎曲試驗結(jié)果有三種表示方式：(1)連續(xù)試驗，直至試樣完全斷裂時的彎曲次數(shù)；(2)連續(xù)試驗，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，直至出現(xiàn)肉眼可見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入彎曲次數(shù)nb，具體的試驗設(shè)備、試樣要求、試驗程序等詳見相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn).

2 脆性或低塑性金屬材料

針對脆性或低塑性的金屬材料，彎曲試驗主要測定金屬材料彎曲斷裂時的抗彎強度、斷裂撓度等力學(xué)性能，表征材料的強度.其原理是采用三點彎曲或四點彎曲方式，對圓形或矩形橫截面的試樣施加彎曲力直至斷裂，測定其一項或多項力學(xué)性能[9].常見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.最常見的是抗彎強度，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，彎曲試驗主要用來測試試樣承受變形的能力，根據(jù)試驗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)彎曲兩種測試方法.脆性或低塑性的材料，彎曲試驗主要測定其彎曲強度、斷裂撓度等力學(xué)性能.試驗人員在實際測試中應(yīng)根據(jù)材料的特性及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對彎曲性能的要求，選擇最適用的方法.