Испытание металлов на изгиб

Испытание металлов на изгиб применяют для оценки поведения материала при действии изгибающей нагрузки и его способности воспринимать пластическую деформацию без образования трещин и других признаков разрушения. Такой метод используют при контроле листового и сортового проката, металлических заготовок, арматуры, сварных изделий и другой металлопродукции.

В отличие от испытания на растяжение, при изгибе напряжения распределяются по сечению неодинаково. Одна сторона образца растягивается, противоположная сжимается, а между ними находится нейтральная область. Поэтому испытание позволяет оценивать металл в условиях сложного напряженно-деформированного состояния. Для металлических материалов применяется ГОСТ 14019-2003 «Материалы металлические. Метод испытания на изгиб». Основная задача метода — оценить способность материала выдерживать пластическую деформацию при изгибе.

Что показывает испытание металла на изгиб

При испытании образец подвергают изгибающему усилию до условий, предусмотренных нормативной документацией. Это может быть изгиб до заданного угла, до достижения определенного расстояния между сторонами образца либо до их параллельности. Главный результат — оценка способности металла выдерживать требуемую деформацию без появления недопустимых трещин.

Поэтому испытание по ГОСТ 14019-2003 не следует автоматически воспринимать как определение «предела прочности при изгибе». Стандарт прежде всего предназначен для оценки пластичности металлического материала при изгибе. В других методиках могут дополнительно определяться максимальная нагрузка, прогиб, сопротивление изгибу и другие характеристики. Набор измеряемых параметров определяется конкретным нормативным документом.

Что происходит с металлом при изгибе

При нагружении наружная часть изгибаемого образца испытывает растяжение, а внутренняя — сжатие. Особое внимание уделяют растянутой поверхности, поскольку именно здесь при недостаточной пластичности материала или наличии дефектов могут появляться первые трещины. На результат влияют не только свойства металла, но также толщина и форма образца, радиус оправки, расстояние между опорами и направление отбора образца относительно прокатки.

Как проводится испытание

Образец устанавливают в испытательное приспособление и прикладывают статическое усилие в соответствии с выбранной схемой нагружения. Испытание продолжают до достижения условия, установленного нормативной документацией, — например, заданного угла изгиба. После нагружения поверхность образца осматривают и оценивают наличие трещин и других признаков разрушения.

При трехточечном изгибе образец располагают на двух опорах, а нагрузку прикладывают одной центральной оправкой. Такая схема проста, удобна в настройке и широко применяется при лабораторных испытаниях.

При четырехточечном изгибе образец также опирается на две нижние опоры, но усилие передается через две верхние точки. Между ними формируется участок с иным распределением изгибающего момента, поэтому напряженное состояние образца отличается от трехточечной схемы.

Выбор схемы определяется стандартом, методикой испытания и задачей лаборатории. Произвольно заменять трехточечный изгиб четырехточечным нельзя, поскольку геометрия нагружения непосредственно влияет на результат.

Для проведения таких испытаний применяются специальные приспособления серии ПТИ, устанавливаемые на универсальные испытательные машины и прессы. Они могут изготавливаться в трехточечном и четырехточечном исполнении, а отдельные конструкции позволяют трансформировать четырехточечную схему в трехточечную.

Образцы для испытания

Форма и размеры образца определяются нормативной документацией на металл или конкретное изделие. Используются плоские и круглые образцы, а в отдельных случаях испытанию подвергают элементы готовой продукции.

Перед испытанием проверяют размеры, состояние поверхности и отсутствие повреждений, возникших при изготовлении образца. Особенно важно состояние поверхности, которая при изгибе будет находиться в зоне растягивающих напряжений. Заусенцы, грубая механическая обработка и локальные дефекты могут стать дополнительными концентраторами напряжений и вызвать преждевременное образование трещины.

Радиус оправки и расстояние между опорами

Геометрия испытательного приспособления существенно влияет на результат. Одним из ключевых параметров является радиус или диаметр оправки, вокруг которой изгибается образец. Чем меньше радиус изгиба при одинаковой толщине образца, тем выше деформация наружных волокон материала.

Не менее важно расстояние между опорами. Оно выбирается в соответствии с методикой, размерами образца и геометрией оправки. Поэтому при подборе приспособления необходимо учитывать не только максимальную нагрузку, но и диапазон регулировки опор, размеры рабочих элементов и возможность установки требуемой оправки.

Какое оборудование требуется

Для статических испытаний металлов на изгиб обычно применяется универсальная испытательная машина или испытательный пресс с необходимым диапазоном измерения силы. На оборудование устанавливают приспособление, включающее опоры и изгибающую оправку либо другую оснастку, предусмотренную методикой.

«Эталон-Профит» выпускает приспособления серии ПТИ для испытаний на трехточечный и четырехточечный изгиб. Конструкция и максимальная нагрузка подбираются в зависимости от размеров образца, требуемого усилия и схемы испытания.

Для металлов такие приспособления могут использоваться совместно с универсальными испытательными машинами серий РКМ, РКМ SVO, X-PRO и НИМ. Конкретную модель выбирают по усилию, рабочему пространству и требованиям методики.

Нужно ли измерять прогиб

Необходимость измерения прогиба зависит от задачи испытания. Если требуется только проверить способность металла выдержать заданный изгиб без разрушения, отдельное высокоточное измерение прогиба может не потребоваться.

Если методика предусматривает регистрацию зависимости нагрузка–прогиб, определение деформационных характеристик или достижение заданного значения прогиба, необходимо использовать специальное устройство измерения прогиба. При этом важно учитывать, что перемещение подвижной траверсы испытательной машины не всегда равно фактическому прогибу образца. В него могут дополнительно входить деформации элементов силовой цепи и испытательной оснастки.

Что влияет на достоверность результата

На результат влияют характеристики образца, геометрия приспособления и правильность настройки оборудования. К основным факторам относятся:

• размеры и состояние поверхности образца;
• правильность установки относительно опор;
• расстояние между опорами;
• радиус или диаметр оправки;
• положение точки или точек приложения нагрузки;
• скорость нагружения;
• соосность элементов приспособления;
• точность измерения силы и, при необходимости, прогиба.

При сравнении разных партий металла особенно важно соблюдать одинаковые условия испытания. Изменение геометрии оснастки способно повлиять на локальную деформацию и характер появления трещин.

Как выбрать приспособление для изгиба

Подбор оснастки начинают с методики испытания и геометрии образца. Определяют схему изгиба, диапазон нагрузок, размеры образца, расстояние между опорами, радиус или диаметр оправки и необходимость измерения прогиба. После этого выбирают исполнение ПТИ и испытательную машину. Так формируется испытательный комплекс, в котором машина, датчик силы, приспособление и, при необходимости, устройство измерения прогиба работают как единая система.

Испытание на изгиб дополняет результаты испытаний металла на растяжение и ударную вязкость и позволяет оценить способность материала воспринимать пластическую деформацию при изгибающей нагрузке.