第三章 压弯剪

1 第三章第三章 金属压缩金属压缩 弯曲和剪切试验 弯曲和剪切试验 金属材料制成的各种机件 除了承受单向拉伸以外 还承受压缩 弯曲 扭转等加 载方式 不同的加载方式 其应力状态不同 本章将介绍金属材料在压缩 弯曲 扭转和 剪切等试验方法及其测定的力学性能指标 第第 0 0 节节 应力状态系数应力状态系数 一 问题的引出一 问题的引出 金属材料在一定承载条件下产生何种失效形式 除与载荷大小 材料性质有关外 还与在承载条件下的应力状态有关 不同的应力状态 其最大正应力 max与最大切应力 max的相对大小是不同的 对金属的变形和断裂性质将产生不同的影响 如 铸铁拉伸时铸铁拉伸时 呈脆性断裂 但硬度试验时 仍能形成压痕 呈脆性断裂 但硬度试验时 仍能形成压痕 细讲 从作用在原子规则排列上的正应力 和切应力产生不同的变形和断裂角度分析 推导 二 应力状态系数的表示二 应力状态系数的表示 材料力学表明 任何复杂应力状态都可用三个主应力 1 2和 3 1 2 3 来表示 根据这三个主应力 可以按照相当最大正应力理论 第二强度理论 计算最大正 应力 max 1 2 3 式中 为泊松比 对金属材料 可取 0 25 按最大 切应力理论 第三强度理论 计算最大切应力即 max 1 3 2 max与 max的比 值表示它们的相对大小 称为应力状态软性系数 记为 max max 321 1 2 321 1 5 02 不同的加载方式 max与 max的比值不同 其应力状态软性系数不同 其值越大 说明 max所占比例越大 越易产生塑性变形 低塑性材料只有采用 大的加载方式 才能表现出塑性 对于塑性较好的材料只有 采用 小的加载方式 使之在更硬的应力状态下显示其脆性倾向 三 不同的加载方式下的应力状态软性系数三 不同的加载方式下的应力状态软性系数 不同的加载方式 其应力状态软性系数 详见下表 表 不同的加载方式下的应力状态软性系数表 不同的加载方式下的应力状态软性系数 加载方式 三向 等拉伸 三向不 等拉伸 单向 拉伸 扭转 二向等 压缩 单向 压缩 三向不 等压缩 三向等 压缩 00 10 50 81248 2 第一节第一节 压压 缩缩 一 压缩试验的特点一 压缩试验的特点 1 单向压缩的应力状态软性系数为 2 比拉 弯 扭更能充分显示脆性材料的脆性 差别 对脆性更大的材料或为更加充分地显示脆性材料的脆性差别 还可采用 2 的多 向压缩试验 2 塑性较好材料 退火钢 黄铜 只能被压扁 一般不会破坏 除特殊需要外 一 般不进行压缩试验 3 脆性材料压缩破坏形式有剪坏和拉坏两种形式 剪坏 断裂面与底面夹角成 45o角 拉坏 纤维方向平行于压应力 压缩时横截面积增加 纤维组织横向伸长率不 足造成的 见图 3 13 P48 4 压缩试验 时 试样端面存在很 大的摩擦力 这将阻 碍试样端面的横向变形 试样呈腰鼓状 影响试验结果的准确性 L do 摩擦力 试验时尽量减小摩擦力 但 L do太大易造成失稳 根据上述原因可以解释薄而软的铜铝垫圈能承受很大的紧固力和轧制金属薄板很费力 的原因 二 压缩试验时的力学分析二 压缩试验时的力学分析 压缩试验时试样的受力情况如图 3 1 所示 它与拉伸试验受力的情况正好相反 其 压 缩应力也是载荷除以试样的横截面面积 低碳钢压缩试验时的应力 应变曲线如图 3 2 所示 图中同时以虚线表示拉伸时的应 力 应变曲线 可以看出 这两条曲线的前半部分基本重合 低碳钢压缩时的弹性模量 Ec 屈服点 sc 等都与拉伸试验的结果基本相同 当应力到达屈服点以后 试样出现显 著的塑性变形 试样的长度缩短 横截面变粗 由于试样两端面与压头间摩擦力的影响 试样两端的横向变形受到阻碍 所以试样被压成鼓形 随着压力的增加 试样愈压愈扁 但并不破坏 因此 不能测出其抗压强度 3 与塑性材料相反 脆性材料压缩时的力学性质与拉伸时有较大区别 例如铸铁压缩时 的应力 应变曲线如图 3 3 所示 图中同时以虚线表示拉伸时的应力 应变曲线 其抗压强 度 bc 远比抗拄强度 Rm 为高 约为抗拉强度的 2 5 倍 三 压缩试验方法三 压缩试验方法 1 1 压缩的分类 压缩的分类 按实际构件承受压缩载荷的方式可分为 单向压缩 工程中最常见 也是最简单的压缩 简称压缩试验 双向压缩 三向压缩 2 2 试样分类 试样分类 侧向无约束试样 圆柱体或正方体试样 板状试样 需夹在约束装置内进行试验 试样应平直 棱边无毛刺 无倒角 在切取样坯和机加工试样时 应防止因冷加工 或热影响而改变材料的性能 对于板材试样 当其厚度为原材料厚度时 应保留原表面 表面不应有划痕等损伤 当试样厚度为机加工厚度时 表面粗糙度应不低于原表面的粗糙 度 要求 保证试样表面粗糙度 并涂以润滑油或石墨粉 以降低摩擦系数 为保证试验结果有可比性 需保证 L D0 2 5 3 5 或 5 8 或 1 2 见 P43 3 3 压缩试验 压缩试验 压缩试验标准为 GB T7314 1987 金属压缩试验方法 压缩试验可以看成是反向拉 伸 压缩曲线 力 变形曲线 可测得的力学性能指标主要有 规定非比例压缩应力 pc 压缩屈服点 sc 抗压 强度 bc 和压缩杨氏模量 Ec等 除脆性材料外 一般不能测定 bc 四 试验设备四 试验设备 一 试验机 1 力示值误差不超过 1 应由计量部门定期进行检定 4 2 上 下压头的表面平行度不低于 1 0 0002 安装试样区范围内 3 试验过程中上 下压头间不应有侧向的相对移动和转动 如不满足上述要求 应加配力导向装置 如图 3 8 所示 对于高硬度试样应配有硬 质材料做成的垫板 垫板两面的平行度不低于 1 0 0002 表面粗糙度 Ra 值应不大于 0 8 m 如偏心压缩的影响较明显 可配用调平垫块 如图 3 9 所示 试验机应能在规定的速度范围内控制试验速度 加卸力应平稳 无振动 无冲击 试 验机应有放大和记录力及变形的装置 二 约束装置 板状试样压缩试验时 应使用约束装置 约束装置应具备试样在低于规定的力作用下 不发生屈曲 不影响试样轴向自由收缩及宽度和厚度方向的自由胀大 保证试验过程摩擦 力为一个定值 GB T7314 推荐图 3 10 所示的约束装置 凡能满足上述要求的其他约束装 置也可采用 三 引伸计 引伸计 包括记录或显示仪器 应进行标定 标定时引伸计工作状态应尽可能与试验 工作状态相同 引伸计的标定按 GB Tl2160 2002 单轴试验用引伸计的标定 的规定进 行 经标定的引伸计 在日常试验前应注意检查 如发现异常 应重新标定 测定规定非比例压缩应变大于或等于 0 05 的规定非比例压缩应力 pc 规定总压 缩应力 tc 屈服点 s 时 应使用不劣于 1 级准确度的引伸计 测定弹性模量 Ec 和规 定非比例压缩应变小于 0 05 的规定非比例压缩应力 pc 时应使用不劣于 0 5 级准确度 的双弓平均引伸计 并将引伸计装夹在试样相对的两侧 四 安全防护装置 脆性材料试验时应在压缩试验装置周围装设安全防护装置 以防试验时试样断裂碎 片飞出伤害试验人员或损坏设备 五 压缩力学性能测定五 压缩力学性能测定 一 试验条件 试验应在室温 10 35 下进行 试验速度 在弹性范围 采用应力速率 控制在 1 lOMPa s 范围内某个尽量恒定的值 在明显塑性变形范围 采用应变速率 控制在 0 0005 0 000l s 范围内 板状试样应用无腐蚀的溶剂清洗 装进约束装置前 两侧面与夹板间应铺一层厚度不 5 大于 0 O5mm 聚四氟乙烯薄膜 或均匀涂一层润滑剂 例如 200 目石墨粉调以适量精密仪 表油 二硫化铝等 以减少摩擦 装夹后 应把两端面用细纱布擦干净 安装试样时 试样纵轴中心线应与压头轴线重合 二 板状试样夹紧力的选择 根据材料的 pc0 2 或 sc 及板材厚度来选择夹紧力 一般使摩擦力 Ff 不大于 Fpc0 2 估计值的 2 对极薄试样 允许摩擦力达到 F pc0 2 估计值的 5 只要能保证 试验顺利进行 加紧力越小越好 三 板状试样实际压缩力的测定 板状试样有侧向约束试验时自动绘制的力一变形曲线 一般初始部分因摩擦力 Ff 影响 而呈非线性关系 如图 3 11 所示 当力足够大时 摩擦力达到一个定值 此后摩擦力不 再进一步影响力 变形曲线 设摩擦力平均分布在试样表面上 则实际压缩力 F 用公式 3 2 表示 F Fo Ff 2 3 2 式中 F 试样上端所受的力 N 实际压缩力 F 可用图 3 11 确定 沿绘制的力 变形弹性直线段 反延直线交原横坐 标轴于 0 在原坐标原点 0 与 0 的连线中点上作垂线交反延的直线于 0 点 0 点即为力 变形曲线的真实原点 过 0 点作平行于原坐标的直线 即为修正后的坐标轴 实际压缩 力可在新坐标系上直接判读 四 规定非比例压缩应力 pc 的测定 规定非比例压缩应力 pc 的测定与拉伸试验规定非比例延伸强度一样也采用图解法 及逐步逼近法 当力 变形曲线无明显的弹性直线段的情况 具体试验方法参见第一章中 规定非比例延伸强度的测定方法 规定非比例压缩应力 pc MPa 按公式 3 3 计算 pc FPC S0 3 3 式中 Fpc 规定非比例压缩变形的实际压缩力 N S 试样原始横截面积 mm2 五 规定总压缩应力 tc 的测定 规定总压缩应力 tc 的测定也采用图解法 力轴每毫米 mm 所代表的力应使所测的 Ftc 点处于力轴量程的二分之一以上 总压缩变形一般应超过变形轴的二分之一以上 在 自动绘制的力 变形曲线图 见图 3 12 上 自 0 点起在变形轴上取 OD 段 tcL n 过 D 点作与力轴平行的 DM 直线交曲线于 M 点 其对应的力 Ftc 为所测规定总压缩力 规定 6 总 压缩应力 tc MPa 按公式 3 4 计算 tc FtC S0 3 4 六 压缩屈服点 sc 的测定 压缩屈服点 sc 的测定通常采用图解法 如协议允许也可采用指针法 用图解法测 定 力轴每毫米 mm 所代表的力应便所测的 Fsc 点处于力轴量程的二分之一以上 变形放 大倍数应根据屈服阶段的变形来确定 曲线应至少绘制到屈服阶段结束点在曲线上确定屈 服平台的恒定实际压缩力或塑性屈服阶段的最低实际压缩力即为屈服力 Fsc 或不计初始 瞬时效应的最小实际压缩力为屈服力 Fsc 压缩屈服点 sc MPa 按公式 3 5 计算 sc FsC S0 3 5 七 抗压强度 bc 的测定 试样压至破坏 从力 变形曲线上确定最大实际压缩力 Fbc 或测力度盘上读取最大力 值 Fbc 抗压强度 bc MPa 按公式 3 6 计算 bc Fbc S0 3 6 八 压缩弹性模量 Ec 的测定 绘制压缩试验的力 变形曲线图 力轴每毫米 mm 所代表的力应使力 变形曲线的弹 性直线段的高度超过力轴量程的五分之三以上 变形放大倍数 n 应大于 500 倍 在力 变 形曲 线图上 取弹性直线段上的 J K 两点 点距应尽可能长 见图 3 12 压缩弹性模量 Ec MPa 按公式 3 7 计算 3 7 0 0 SLL LFF E JK JK C 式中 L 试样原始标距 mm 如材料的力 变形曲线无明显的弹性直线段且没有其他规定时 可参照测定规定非比 例压缩应力的逐步逼近法进行测定 九 灰铸铁压缩率 c 的测定 灰铸铁试样压缩时的塑性 以压缩试验的相对压缩率 c 表示 按公式 3 8 计算 c 1 LK L 100 3 8 式中 L LK 为试验前 后的试样高度 mm 7 十 测试结果数值的修约 数值的修约方法按 GB T8170 数值修约规则 执行 灰铸铁抗拉强度保留 3 位有效 数字 弹性模量值至少保留 2 位有效数字 其余应力值修约按表 3 1 进行 试验出现下列情况之一者 试验结果无效 并应补做同样数量的试验 试样未达到所求性能前 发生屈曲者 试样未达到所求性能前 端部就局部压坏以及试样在凸耳部分或标距外断裂者 试验过程中操作不当者 试验过程中仪器设备发生故障者 试验后 试样上显出冶金缺陷 如分层 气泡 夹渣及缩孔等 应在原始记录及报 告中注明 六 压缩试验的破坏特征六 压缩试验的破坏特征 在压缩试验时 试样的破坏形式与材料的性质及端面的支撑情况有关 对于塑性材料 在压缩试验过程中高度减小 横截面增大形成腰鼓形 压力继续增加 软钢 黄铜可压成圆板状 而纯铁则向侧面开裂 如图 3 13 a b 所示 低塑性与脆性金属材料如高碳钢 铸铁等 压缩时试样的破坏形式如图 3 13 c 所示 试样受压时沿斜截面发生剪切错动而破坏 破断面与横截面略大于 45 压缩试样实际 角度常在 55 左右 大于 45 是由于两破断面间有摩擦作用的缘故 其他脆性材料如石料 混凝土等压缩试验时破坏形式如图 3 13 d 所示 在试样端面 涂油 减小端面受压时的摩擦力 可使破坏载荷降低 破坏的形式可由剪坏变为拉坏 8 第二节第二节 金属弯曲试验金属弯曲试验 金属杆状试样承受弯矩作用后 其内部应力主要为正应力 与单向拉伸和压缩时产 生的应力雷同 但由于杆件截面上的应力分布不均匀 表面最大 中心为零 且应力方向 发生变化 因此 金属在弯曲加载下所表现的力学性能为单纯拉应力或压应力作用下的不 完全相同 如 在拉伸或压缩载荷下产生屈服现象的金属 在弯曲载荷下显示不出来 因 此 对于承受弯曲载荷的机件如轴 板状弹簧等 常用弯曲试验测定其力学性能 以作为 设计或选材的依据 根据工程上的需要 弯曲试验分为 抗弯试验和冷弯试验 抗弯试验主要用于测定 脆性断裂和低塑性断裂金属材料的抗弯强度 bb和断裂挠度 fbb 冷弯试验是考核金属材 料弯曲时塑性好坏的一种工艺试验 简单介绍 一 弯曲试验的特点一 弯曲试验的特点 1 弯曲试验的试样形状简单 操作方便 受拉一侧应力状态与拉伸相同 但不存在 拉伸试验容易出现的偏斜现象 力的作用线不能准确地通过拉伸试样的轴线而产生附加弯 曲应力 对试验结果的影响 并可用挠度显示材料的塑性 因此 弯曲试验方法常用于测定铸铁 铸造合金 工具钢及硬质合金等脆性与低塑 性材料的强度和显示塑性差别 2 弯曲试验时 试样表面应力最大 可较灵敏地反应材料表面缺陷 因此 常用来 比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能 二 弯曲试验二 弯曲试验 GB T14452 93 金属弯曲力学性能试验方法 规定 试样采用截面为圆形或矩形试 样 弯曲试验分为 三点弯曲试验 总在施力点处附近破断 但方法简单 应用较多 四点弯曲试验 弯矩均匀地分布在试样标距长度上 断裂在缺陷处 较好地反映金 属材料的品质 9 弯曲试验可测得的力学性能指标主要有 抗弯强度 bb 断裂挠度 fbb 规定非比例 弯曲应力 pb 弯曲弹性模量 Eb等 二 弯曲试验的力学分析 试样上的外力垂直于试样的轴线 并作用在纵向对称面 通过试样的轴线和截面对称 轴的平面 内 试样的轴线在纵向对称面内弯曲成一条平面曲线的弯曲变形称为平面弯曲 平面弯曲的问题比较简单 也是工程实际中最常见的情况 本章的介绍将限于平面弯曲问 题 弯曲试验常用两种加载方法 图 3 14 所示为在支座中点集中加载的方法 称为三点 弯曲 图 3 15 所示是通过四点弯曲加载装置的两个加载辊将载荷施加在试样上 称为四 点弯曲 试样弯曲时 一般承受弯矩和剪力 在试样的横截面上一般有弯矩产生的正应力和 剪力产生的切应力 一 弯曲试样上的弯矩和剪力 材料力学规定 使试样段弯曲成凹形时的弯矩 M 为正 使试样段弯曲成凸形时的弯矩 M 为负 使试样段发生左侧截面向上 右侧截面向下的相对错动时 横截面上的剪力 Q 为 正 反之为负 由材料力学的分析 计算可以得到图 3 14 所示三点弯曲试样上的受力情 况 在试样的左半段 弯矩 M1 FX 2 式中 X 三点弯曲试样上的考察点到左支座的距离 mm 弯矩 M 是 x 的函数 剪力 Q1 F 2 0 X Ls 2 在试样的右半段 弯矩 M2 F LS X 2 LS 2 X LS 10 剪力 Q2 F 2 LS 2 X LS 在试样的中点弯矩最大 可按公式 3 9 计算 Mmax FLs 4 3 9 图 3 16 为三点弯曲试样弯矩图和剪力图 同样可得到图 3 15 所示四点弯曲试样的弯矩图和剪力图 如图 3 17 所示 此例的两弯曲力均为 F 2 两力臂均为 l 在四点弯曲试样的两力臂之间弯矩最大 可按公式 3 10 计算 3 10 2 max FlM 在四点弯曲试样的施力点与支座之间 剪力 Q F 2 在四点弯曲和三点弯曲试验的弯曲力与支点之间的各横截面上有弯矩 M 和剪力 Q 称 为剪切弯曲 由弯曲试样上的弯矩和剪力分析可知 在四点弯曲试样的两施力点之间弯矩是均匀 分布的 弯曲试验时试样会在弦长度上的任何薄弱处破坏 可以显示该长度上存在的缺陷 但四点弯曲试验压头的结构比较复杂 三点弯曲试验总是使试样在中点处及其附近破坏 在其它部位的缺陷不易显示出来 尽管如此 由于三点弯曲试验方法比较简单 在工厂实 验室中常被采用 二 弯曲试样的应力与分布 1 弯曲试验时的正应力 材料力学假设 试验材料是均匀 各向同性的 变形是弹 11 性的 变形前后试样的各横截面都是平面 且与试样轴线垂直 通过对图 3 18 所示弯曲 试样的正应力与弯矩的关系进行变形分析 可以得出弯曲试样在弹性变形范围内 横截面 上任一点正应力按下式计算 3 11 IMY 式中 M 弯矩 N mm Y 横截面上任一点到中性轴的距离 mm I 试样横截面对中性轴的轴惯性矩 是仅与横截面的形状和尺寸有关的几何量 mm4 上式表明 弯曲试样横截面上的正应力 与弯矩 M 到中性层的距离 y 成正比 与轴惯 性矩 I 成反比 Y 为正值时试样受拉 Y 为负值时试样受压 试样的最外层正应力最大 如图 3 19 所示 试样最大正应力按下式计算 3 12 WMIYM maxmaxmaxmax 式中 W I Ymax 是仅与横截面的形状和尺寸有关的几何量 称为弯曲试样截面系数 mm3 对于宽度为 b 高度为 h 的矩形截面试样 3 13 12 3 bhI 3 14 2 max hY 3 15 6 2 bhW 对于直径为 d 的圆形截面试样 3 16 64 4 dI 3 17 2 max dY 3 18 32 3 dW 2 弯曲试验时的切应力 试样剪切弯曲时 横截面上不仅有正应力 还有切应力 材料力学假设 横截面上全部切应力的方向都平行于被它们所平衡的剪力 Q 距中性轴等 距离处的切应力相等 通过对图 3 20 所示弯曲试样横截面上 Q 及 的分布的关系进行变 12 形分析 可以得到 对于宽度为 b 高度为 h 的矩形截面弯曲试样横截面上任一点的切应力按下式计算 对于直径为 d 的圆形截面试样横截面上任一点的切应力可按下式计算 3 三点弯曲试验时试样横截面上的最大正应力和最大切应力的关系 矩形截面试样 圆形截面试样 弯曲试验测定正应力 时要尽量减少切应力 的影响 如取 Ls lOd 或 Ls 16h 则三 点弯曲时 切应力的影响小于 5 如取 Ls lOd 或 Ls 16h 则切应力的影响增大 会影 响对材料弯曲强度的正确测定 因此 GB T14452 1993 金属弯曲力学性能试验方法 要 求试样的跨距 Ls 16d 或 Ls 16h 个别硬金属矩形截面试样由于材料价格昂贵除外 JB T7945 1999 灰铸铁力学性能试验方法 要求试样的跨距 Ls lOd 4 弯曲试样的挠度 由材料力学可知梁的弯曲在弹性范围内 忽略剪力的影响时 挠 度 f 与转角 弯矩 M 之间的关系为 挠度 f 的一次积分等于转角 挠度 f 的二 次积分等 于弯矩 M 除以 EI 可通过积分弯曲试样的弯矩方程 并由支座处的边界条件与试样的连续条件确定积 分 常数 求得弯曲试样的挠度方程与最大挠度 三点弯曲时试样挠度方程与最大挠度 试样左半段挠度按下式计算 式中 X E 试验材料的弹性模量 MPa 在试样中点挠度最大 可按下式计算 5 弯曲曲线 M 曲线或 F 为了得到弯曲载荷作用下材料的变形情况 通常在试样 中点挠度最大处测量试样挠度 f 然后将弯矩 M 或弯曲力 F 与挠度 f 的关系在直角坐标 上用曲线表示出来 即为弯曲曲线 典型的弯曲曲线如图 3 22 所示 从图中可以看出 当试验进行到 p 点时 弯矩 M 与挠度 f 仍保持正比关系 进行到 e 点时 挠度仍为弹性变形 超过 e 点时 则将产生一定的塑性变形 达到 b 点时 弯矩 13 为最大值 超过此点 弯矩将逐渐下降 直至试样断裂 三 弯曲试样三 弯曲试样 弯曲试验采用圆形截面试样和矩形截面试样 试样的形状 尺寸 公差及表面要求 应按有关标准或协议的规定 如无规定 可根据材料和产品尺寸从 GB T14452 93 的表 2 或表 3 中选用合适的试样尺寸 灰铸铁弯曲试样按 JB T7945 1999 选用圆形截面试样 尺寸常用直径 d 3Omm L 340mm 的标准弯曲试样 也可选用 JB T7945 1999 附录 B 中的直径 d 2Omm l3mm lOmm 或 45mm 相应的 L 24Omm 16Omm 13Omm 5OOmm 的辅助弯曲试样 进行比对试验时 试样的截面形状 尺寸和跨距应相同 试样样坯切取 机加工以及尺寸公差和表面质量应符合有关标准或协议的规定 试样数量 对于圆形 矩形横截面试样 一般每个试验点需试验 3 个试样 对于薄板 试样 每个试验点至少试验 6 个试样 试验时 拱面向上和向下各试验 3 个试样 四 弯曲试验设备四 弯曲试验设备 一 试验机 各种类型的 1 级压力或万能试验机均可使用 应由计量部门定期进行检定 试验机应能在规定的速度范围内控制试验速度 加卸力应平稳 元振动 无冲击 试验机应配备记录弯曲力 挠度曲线的装置 二 弯曲试验装置 三点弯曲和四点弯曲试验装置和薄板试样用三点弯曲和四点弯曲试验装置见图 3 14 图 3 15 图 3 23 和图 3 24 试验装置中的支承滚柱直径 或支承刀的刀刃半径 和施 力滚柱直径 或施力刀的刀刃半径 根据试样尺寸按 GB T14452 1993 的表 2 或表 3 选用 试验时 滚柱应能绕其轴线转动 但不应发生相对位移 两支承滚柱 或支承刀 间和施力 滚柱 或施力刀 间的距离应分别可调节 并带有指示距离的标记 跨距应精确到 0 5 滚柱的硬度应不低于试样的硬度 其表面粗糙度 Ra 应不大于 0 8 m 三 挠度计 应根据所测弯曲力学性能指标按 GB T14452 1993 的表 6 选用相应精确度的挠度计 挠度计应定期参照 GB Tl2160 2002 单轴试验用引伸计的标定 的规定进行标定 标定 时挠度计工作状态应尽可能与试验工作状态相同 四 安全防护装置 14 试验时应在弯曲试验装置周围装设安全防护装置 以防试验时试样断裂碎片飞出伤 害试验人员或损坏设备 五 脆性和低塑性材料的弯曲力学性能测定五 脆性和低塑性材料的弯曲力学性能测定 试验标准为 GB T14452 1993 金属弯曲力学性能试验方法 采用三点弯曲或四点弯 曲方式对圆形或矩形横截面试样施加弯曲力 一般直至断裂 测定其弯曲力学性能 一 试验条件 试验应在室温 10 35 下进行 试验时 弯曲应力速率应控制在 3 3OMPa s 范围内某个尽量恒定的值 二 规定非比例弯曲应力 pb 的测定 规定非比例弯曲应力 pb 通常采用图解法测定 试验时 将挠度计装在试样中间的测量 位置上 试样对称地安放于弯曲试验装置上 对试样连续施加弯曲力 同时记录弯曲力 挠度曲线 的上以上 舅砍大暗数 n 的选择应使图 3 25 曲线上的 oC 段长度不小于 l5mmn 在记录的曲线图上 自弹性直线段与挠度轴的交点 0 起 戳取相应七非比例弯应变 顾 过 C 点作弹性直线段的平行线 CA 交曲线于 A 点腆点所对 非比例弯曲应力应的力即为规定非比例弯曲力 F 见图 3 24 规定非比例弯 曲应力印按公式 3 24 或 3 26 计算 注 可以使用计算机等装置自动测定弯曲力学性能而无须给出弯曲力 挠度曲线 三点弯曲试验 四点弯曲试验 圆形横截面试样 矩形横截面试样 三 规定残余弯曲 rb 应力的测定 试验时 将试样对称地安放于弯曲试验装置上 并对其施加相应于预期 rb0 01 的 10 的预弯曲力 F0 测量跨距中点的挠度 记取此时挠度计的读数作为零点 对试样连续 或分级施加弯曲力 并将其卸除至预弯曲力 F 测量残余挠度 反复递增施力和卸力 直至测量的残余挠度达到或稍超过规定残余弯曲形变相应的挠度 用线性内插法按公式 3 29 求出相应于规定残余弯曲形变的弯曲力 Frb 规定残余弯曲应力 rb 按公式 3 31 或 3 33 计算 三点弯曲试验 15 四点弯曲试验 四 抗弯强度 bb 的测定 将试样对称地安放于弯曲试验装置上 对试样连续施加弯曲力 直至试样断裂 从 试验机测力度盘上或从记录的弯曲力 挠度曲线上读取最大弯曲力 Fbb 按公式 3 34 或 3 35 计算抗弯强度 bb 三点弯曲试验 四点弯曲试验 五 断裂挠度的测定 bb f 将试样对称地安放于弯曲试验装置上 挠度计装在试样中间的测量位置上 对试样 连续施加弯曲力 直至试验断裂 测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度 此挠度即为断裂挠 度 此方法用于仲裁试验 bb f 注 测定断裂挠度一般可与测定抗弯强度在同一试验中进行 可以利用试验机横梁位 移来测定断裂挠度 但应对试验机挠度等因素的影响加以修正 六 弯曲弹性模量 Eb 的测定 1 人工记录法 将挠度计装在试样中间的测量位置上 试样对称地安放于弯曲试验 装置上 对试样施加相当于 pb0 01 或 rb0 01 10 以下的预弯曲力 F0 并记录此力 和跨距中间的挠度 然后对连续施加弯曲力 直至相应于 pb0 01 或 rb0 01 的 50 记录弯曲力增量 F 和相应的挠度增量 f 按公式 3 36 或 3 37 计算弯曲弹性模量 Eb 三点弯曲试验 四点弯曲试验 当采用分级施加弯曲力时 按上述方法施加预弯曲力 F0 从 F0至相应于 pb0 01 或 rb0 01 的 50 的弯曲力范围内测定 m m 5 对力和挠度的数据 且数 据点应尽量均匀分布 用最小二乘法将弯曲力和相应的挠度数据拟合直线 按公式 3 38 计算该直线的斜率 F f 然后将此斜率代人公式 3 36 或 3 37 计算弯曲弹性模量 2 图解法 将试样对称地安放于弯曲试验装置上 挠度计装在试样中间的测量位置上 对 试样连续施加弯曲力 同时采用自动方法连续记录弯曲力 挠度曲线 直至超过相应于 pb0 01 或 rb0 01 的弯曲力 记录时 建议力轴比例和挠度轴放大倍数的选择 宜使曲线弹性直线段与力轴的夹角不小于 40 度 弹性直线段的高度应超过力轴量程的 3 5 在记录的曲线图上 借助于直尺的直边确定最佳弹性直线段 读取该直线段的弯曲 16 力增量 F 和相应的挠度增量 f 见图 3 26 按公式 3 36 或 3 37 计算弯曲弹性模量 注 也可以用应变计方法测定弯曲弹性模量 七 真实规定非比例弯曲应力和真实抗弯强度 前面的强度测定应用的公式是在材料服从虎克定律的情况下导出并应用到弯曲试样 表面发生塑性变形范围的 这在工程应用上是允许的 实际上弯曲试样表面发生塑性变形 时 试样横截面上的正应力 与该点到中性层的距离 Y 已失去比例关系 如需要测定材 料的真实规定非比例弯曲应力和真实抗弯强度 前面的公式已不适用 GB T14452 1993 的附录 A 给出了脆性断裂和低塑性断裂金属材料矩形横截面试样在四点弯曲试验中测定真 实规定非比例弯曲应力和真实抗弯强度的方法 并指出仅当有关标准或协议提出要求时才 执行 八 倒棱修正系数和四点弯曲试验中力臂修正的计算 矩形横截面试样的四条长棱经 tX45 倒棱后 用试样倒棱前横截面尺寸计算弯曲弹 性模量和弯曲应力时 其值偏小 应进行修正 修正方法是将倒棱修正系数 乘以用试 样倒棱前横截面尺寸计算的性能值 倒棱修正系数 的计算公式见 GB T14452 1993 的附 录 B 四点弯曲试验中的实际 li 不等于名义力臂 l 应进行修正 实际力臂 lt 的计算公式 见 GB T14452 1993 的附录 C 九 测试结果数值的修约 测试结果的数值应按表 3 2 进行修约 修约方法按 GB T8170 数值修约规则 执行 第三节金属剪切试验第三节金属剪切试验 一 剪切试验的工程应用及特点一 剪切试验的工程应用及特点 在工程实际中 常遇到剪切问题 例如用剪切机剪断钢丝或钢板 工程结构件中常 用的销 键 铆钉 螺栓等连接件都是主要承受剪切力 发生剪切变形的构件 称为剪切 构件 工程结构中梁的跨度较小时 结构除受弯曲应力外 还要承受较大的剪切应力 在 这些情况下 构件的设计和制造都需要考虑材料的抗剪强度 需要对材料进行剪切试验 剪切试验也可用来测定复合钢板的基体和覆层之间的结合力 构件在剪切时受力和变形的特点是 作用在构件两侧面上的横向外力的合力大小相 17 等 方向相反 作用线相隔很近 并使各自作用的构件部