弯曲性能测试及其指标解析

图5-5 三点式弯矩[M（x）]和剪力τ（x）定性分布图

弯曲性能又称挠曲性能，是指材料能承受弯曲负荷时的性能，是常用于评定材料的弯曲强度和塑性变形的重要指标。弯曲应力是拉伸应力和压缩应力组成的综合应力。如图5-5所示，当作用力F作用于截面为b×h的矩形梁中点O时，在A、B支点上会产生弯矩M=FL/2，使横梁中点下垂弯曲，挠度为f。此时，横梁外侧面2受拉应力作用，内侧平面1受压缩应力作用。在中心线AB层面上应变为零，称为中心层。沿横梁长度任何位置上的横截面都受到切应力作用，在A、B支点产生垂直与水平反力，使横梁形成弯矩和水平滑移。当弯曲负荷产生的拉应力或压应力超过允许值时，脆性材料会发生断裂，而韧性材料可能不发生断裂。横梁破坏的形式与受力方式、横梁截面尺寸形状、材料性质有关。

通常，热固性塑料抗弯强度及弯曲模量高于热塑性塑料，但热塑性塑料的弯曲强度高于拉伸强度1.5倍，此外增强塑料或有刚性填料的填充塑料可以大大地提高材料的弯曲性能。

材料弯曲性能由测试标准进行各项性能指标的测定，如GB/T 9341—2008《塑料弯曲性能的测定》等，测试方法有悬臂弯曲试验、三点弯曲试验、四点弯曲试验，如图5-6所示。目前，主要采用三点弯曲试验方法。

图5-6 评价塑料弯曲性能的不同试验方法

a）悬臂弯曲试验 b）三点弯曲试验 c）四点弯曲试验

弯曲性能有以下一些常用指标。

1.挠度

挠度是指试样跨度中心的顶面或底面偏离原始位置的距离，如图5-5所示的f值，单位为mm。

2.弯曲应力

弯曲应力指试样在弯曲过程中的任意时刻中部截面上外层纤维的最大正应力，单位为MPa。

3.弯曲强度

弯曲强度指试样在弯曲负荷下破坏或达到规定挠度时能承受的最大应力。弯曲强度或弯曲应力σ的计算公式为

式中，F为弯曲负荷（N）；L是试样跨度（mm）；b、h分别是试样矩形截面的宽度和厚度（mm）。

脆性材料会发生弯曲断裂，其弯曲强度是材料破坏时最大的外部纤维拉伸（或压缩）应力，对弯曲时发生变形而不破坏的韧性材料，其弯曲强度是指外部纤维的屈服应力（即应变增大而应力不再增加时的应力），或者通常以试样外层纤维的最大应变达到5%时的应力作为其弯曲屈服强度。

4.定挠度弯曲应力

一些韧性材料弯曲时不发生破坏，则可设定其挠度值，当试验时挠度达设定值时的应力称为定挠度弯曲应力。试验证明，当挠度达材料厚度1.5倍时，应达到屈服状态，故继续试验已无意义，所以通常定挠度值为材料厚度的1.5倍。

5.弯曲破坏应力(www.xing528.com)

在弯曲负荷下，试样发生破坏或断裂瞬间的弯曲应力，单位为MPa。

6.弯曲负荷-挠度曲线

弯曲负荷-挠度曲线是以负荷为纵坐标，挠度为横坐标做出的表示试验过程中负荷与挠度的关系的曲线，如图5-7所示。

图5-7 弯曲负荷-挠度曲线

7.弯曲屈服强度

在图5-7所示的曲线上，当负荷不增加而挠度继续增加时，此点的应力即为弯曲屈服强度。通常用于表示受弯曲负荷时，材料外层纤维应变达5%时仍然不断的韧性材料的弯曲强度。

8.弯曲弹性模量

弯曲弹性模量指在材料比例极限范围内，弯曲应力与应变之比值，两支点简支梁弯曲弹性模量的计算公式为

式中，E是弯曲弹性模量（MPa或GPa）；σ是弯曲应力（外层纤维最大拉伸应力或弯曲强度，MPa）；σ₁是产生最大挠度时，因支座发生反力而修正后的弯曲应力（MPa）；ε是外部纤维伸长率（%）；L是跨度（mm）；f是挠度（mm）；F是弯曲负荷（N）；b、h分别是试样截面宽度及厚度（mm）。

弯曲弹性模量是表示承受弯曲负荷时材料刚度的重要指标，对箱体、容器、壳体、承重梁等制品，在外力作用下保持形状稳定性有重要的意义。

9.弯曲试验有关的指标

（1）应变速率s 应变速率是指单位时间内试样弯曲时内外层纤维发生相对变形时的纤维应变量，用每分钟变形的百分率表示。

式中，v是压力点对支座相对移动速度（mm/min）；L是两支点跨度（mm）；h是试样厚度（mm）。

在通常的试验中取s=1%/min。s值越大，材料的弯曲强度也越大。

（2）弯矩 弯矩指施加弯曲负荷时，试样材料各部位受到的力矩。各部位的力矩值是作用力与力的作用距离之乘积。

（3）跨厚比L/h 试样支点间跨距和其厚度之比是影响弯曲强度和判断弯曲破断原因的一个参数。在弯曲试验和制品设计时需考虑该因素。当弯曲变形时试样或制品任何一横截面都受到切应力及弯矩的作用，切应力及弯矩最大的截面即为危险断面，且弯曲变形时应尽量降低切应力，因L/h与切应力成反比，所以在设计承重梁时应取L/h大于5，但L/h值过大会增大支座反力降低弯曲强度，故应酌情择取。