什么是弯曲测试?

弯曲测试,有时称为挠曲测试或十字头测试,用于测量材料在简支梁载荷下的性能。该测试通常使用相对有柔性的材料进行,例如聚合物、木材和复合材料。最基础的弯曲测试是在通用测试机上进行,即把试样放在两个支撑砧上,在 1 或 2 个载荷砧上施加力来弯曲试样,从而测量其性能。

英斯特朗的弯曲测试

 

弯曲或挠曲测试可以在中点使用一个上砧施加力(即 3 点弯曲测试),也可以使用两个与中心等距的上砧施加力(即 4 点弯曲测试)。在 3 点测试中,均匀应力区非常小且集中在中心载荷点下方。在 4 点测试中,均匀应力区位于内跨载荷点之间(通常为外跨长度的一半)。根据被测材料的类型,有许多不同的挠曲工装可能适合使用。

挠曲测试工装

为何要进行弯曲测试?

通常,工程师需要了解材料性能的各个方面,但简单的单轴张力或压缩测试可能无法提供所有必要的信息。当试样弯曲或屈曲时,它会受到包括张力、压缩和剪切在内的复杂组合力的影响。因此,弯曲测试通常用于评估材料对实际载荷情况的反应。当材料用作支撑结构时,挠曲测试数据就非常有用。例如,塑料椅子需要在多个方向上提供支撑。虽然在使用时腿部处于受压状态,但坐部需要承受就座者的挠曲力。制造商不仅希望提供的产品能够承受预期的载荷,而且还想在材料出现任何弯曲时,能够恢复到其原始形状。

执行测试和计算结果

弯曲测试通常在通用测试机上使用 3 点或 4 点弯曲工装来进行。测试速度和试样尺寸等变量由使用的 ASTM 或 ISO 标准确定。试样通常都是刚性的,可以由各种材料制成,例如塑料、金属、木材和陶瓷。最常见的形状是矩形杆和圆柱形试样。

弯曲测试会在试样的凸面产生拉应力,在凹面产生压应力。这样就会沿着中线形成一个剪切应力区。为确保主要破坏来自拉应力或压应力,必须通过控制跨高比(外跨长度除以试样高度(深度))将剪切应力降至最低。对于大多数材料来说,S/d=16 可以接受。而另一些材料,需要 S/d=32 到 64 才能保持足够低的剪切应力。

计算最大纤维应力和最大应变,得到载荷增量。相关结果绘制在应力应变图上。挠曲强度是指最外层纤维的最大应力。使用试样在凸面或拉伸侧的表面可计算出这一值。挠曲模量采用应力与挠度曲线的斜率来计算。如果曲线没有线性区域,则会将一条割线拟合到曲线中,以确定斜率。

挠曲测试

可以像基于载荷传感器和延伸读数的正常张力或压缩测试一样,记录最大力和最大延伸等计算值。应力和应变值的计算方式不同,因为它们包含挠曲工装支承跨度和载荷跨度(用于 4 点弯曲测试)。记录这些测量值与正确记录试样的尺寸同样重要。将这些值输入 Bluehill Universal 后,系统会根据请求自动计算挠曲模量等值。

Bluehill Universal 中的挠曲测试工装输入数据

典型材料

聚合物

聚合物最常用的测试方法是 3 点弯曲测试。试样挠度通常按十字头位置来测量,测试结果包括挠曲强度挠曲模量。

木材和复合材料

木材和复合材料最常使用 4 点弯曲测试来进行测试。4 点测试需要使用挠度计来准确测量试样支承跨度中心处的挠度。测试结果包括挠曲强度和挠曲模量。

脆性材料

当在陶瓷或混凝土等脆性材料上进行 3 点弯曲测试时,挠曲强度通常称为断裂模量 (MOR)。此测试仅提供挠曲强度数据,不提供刚度(模量)数据。脆性材料也可使用 4 点测试,但必须将支撑和载荷砧对齐,且这些材料的测试工装通常带有自对准砧。

通用 ASTM 和 ISO 挠曲测试标准

  • ASTM D790 - 未增强塑料和增强塑料以及电绝缘材料挠曲性能的标准测试方法
  • ISO 178 - 对塑料挠曲性能的测定
  • ASTM A370 - 钢筋拉力测试和弯曲测试