金屬材料及其制品彎曲試驗檢測

一、 檢測原理

金屬彎曲試驗的原理在于評估材料在特定條件下承受彎曲塑性變形的能力，并揭示其表面和內(nèi)部的缺陷。其科學依據(jù)主要基于材料力學和塑性變形理論。

1. 塑性變形原理：當試樣受到外部彎矩作用時，其橫截面上的應(yīng)力分布由表及里呈線性變化。外表面承受大拉應(yīng)力（凸面）和大壓應(yīng)力（凹面），中心層應(yīng)力為零（中性層）。隨著彎矩增大，材料首先發(fā)生彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系遵循胡克定律。當外表面應(yīng)力超過材料的屈服強度后，材料進入塑性變形階段，產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形。彎曲試驗主要考察的就是材料在塑性階段的性能。

2. 延展性評估：通過將試樣彎曲至預(yù)定角度或直至斷裂，觀察其外表面是否產(chǎn)生裂紋。材料的延展性越好，在相同彎曲條件下越不易開裂。開裂的敏感性取決于材料在拉伸應(yīng)力下的塑性儲備能力。

3. 缺陷揭示原理：彎曲變形過程中，材料表面的微小裂紋、夾雜物等應(yīng)力集中點在拉應(yīng)力的作用下會擴展、延伸，從而被宏觀地顯現(xiàn)出來。同樣，焊接接頭的彎曲試驗?zāi)軌虮┞逗缚p區(qū)的未熔合、氣孔、夾渣以及熱影響區(qū)的脆化等問題，因為不同區(qū)域的塑性和強度差異會在彎曲變形中表現(xiàn)為不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致缺陷處應(yīng)力集中而開裂。

4. 應(yīng)力狀態(tài)分析：彎曲試驗中的應(yīng)力狀態(tài)并非單向拉壓，而是存在一定的應(yīng)力梯度。對于寬試樣，近似于平面應(yīng)力狀態(tài)；對于窄試樣，則更接近平面應(yīng)變狀態(tài)。這種復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)能更好地模擬某些實際工況。

二、 檢測項目

彎曲試驗可根據(jù)試驗?zāi)康?、試樣類型和受力方式等進行系統(tǒng)分類。

1. 按試驗?zāi)康姆诸?/span>：

   • 工藝性能試驗：評估材料在特定加工工藝（如彎管、折彎）下的適應(yīng)性，如反復(fù)彎曲試驗、彎折試驗。

   • 質(zhì)量一致性試驗：檢驗產(chǎn)品（如焊接件、型材）是否滿足規(guī)定的彎曲性能要求，如焊接接頭彎曲試驗。

   • 材料性能對比試驗：比較不同批次、不同成分或不同熱處理狀態(tài)材料的塑性差異。

2. 按試樣形狀分類：

   • 板材彎曲試驗：主要用于薄板、中厚板。

   • 型材彎曲試驗：用于角鋼、槽鋼、工字鋼等。

   • 棒材、線材彎曲試驗：用于直徑或厚度較小的圓形、方形截面材料。

   • 管材彎曲試驗：評估管子的彎曲性能，包括壓扁試驗（一種特殊的彎曲試驗）。

3. 按彎曲方式分類：

   • 三點彎曲：試樣兩端支承，在跨距中點施加集中載荷。試樣同時承受剪力和彎矩，彎矩在跨中大。

   • 四點彎曲：試樣兩端支承，在兩個對稱點施加載荷。在兩加載點之間，試樣承受純彎矩，無剪力影響，能更好地評估材料的均勻性。

   • 纏繞彎曲：將線材、薄帶纏繞在規(guī)定直徑的芯棒上，檢驗其表面抗開裂能力。

   • 反復(fù)彎曲：將試樣一端固定，在規(guī)定半徑的彎心上進行反復(fù)多次的90°彎曲，直至斷裂或達到預(yù)定次數(shù)，用以評估材料的耐反復(fù)彎曲疲勞性能。

   • 導(dǎo)向彎曲（焊接接頭）：使用特定的模具將壓頭壓力引導(dǎo)至試樣的特定區(qū)域，確保焊縫和熱影響區(qū)在彎曲變形中受到充分考核。

三、 檢測范圍

彎曲試驗廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，具體要求各異。

1. 冶金行業(yè)：對出廠前的鋼板、鋼帶、型鋼、棒線材進行常規(guī)檢驗，確保其冷加工成型性。

2. 鋼結(jié)構(gòu)與建筑業(yè)：檢驗建筑用鋼筋的冷彎性能，確保其在混凝土中不發(fā)生脆斷；評估鋼結(jié)構(gòu)用鋼板和型材的焊接接頭質(zhì)量。

3. 壓力容器與管道制造：對殼體用鋼板、焊接管坯及成品管、管道焊接接頭進行嚴格的彎曲試驗，防止在成型和服役過程中發(fā)生開裂。

4. 汽車制造業(yè)：檢驗汽車大梁鋼、車輪輪輞用鋼等部件的彎曲成形性能和焊接質(zhì)量。

5. 軌道交通：評估車體用鋁合金、不銹鋼型材及其焊接接頭的塑性。

6. 船舶制造：檢驗船體結(jié)構(gòu)鋼及其焊接接頭的抗裂性能。

7. 電線電纜與緊固件行業(yè)：對線材進行反復(fù)彎曲或纏繞試驗，評估其韌性和表面質(zhì)量。

四、 檢測標準

國內(nèi)外標準對彎曲試驗的試樣尺寸、壓頭直徑、彎曲角度、支座間距等均有詳細規(guī)定。

1. 標準：

   • ISO 7438：金屬材料 彎曲試驗。該標準是基礎(chǔ)性方法標準，規(guī)定了原理、試驗設(shè)備、試樣和程序。

   • ISO 5173：金屬材料焊接件的彎曲試驗。專門針對焊接接頭。

   • ASTM E290：金屬材料延展性彎曲試驗的標準方法。在美國及美洲地區(qū)廣泛使用。

2. 中國標準：

   • GB/T 232：金屬材料 彎曲試驗方法。等效采用ISO 7438，是國內(nèi)通用的基礎(chǔ)標準。

   • GB/T 2653：焊接接頭彎曲試驗方法。針對焊接接頭。

   • GB/T 238：金屬材料 線材 反復(fù)彎曲試驗方法。

   • 各行業(yè)標準，如 YB/T（黑色冶金）、GB/T（國標）中的具體產(chǎn)品標準，會引用上述方法標準并規(guī)定具體的合格指標。

3. 標準對比分析：

   • 核心參數(shù)一致性：主要標準（如ISO 7438, GB/T 232, ASTM E290）在基本原理、試驗類型（三點、四點彎曲）上高度一致。

   • 參數(shù)細節(jié)差異：在壓頭直徑（d）與試樣厚度（a）的比值（d/a）、彎曲角度的具體規(guī)定上可能存在細微差別。例如，不同標準對同一材料推薦的d/a值可能略有不同。ASTM E290更傾向于通過公式計算來確定彎曲壓頭直徑。

   • 適用性：ISO和GB/T系列標準更具通用性；ASTM標準在特定行業(yè)（如石油、核電）的采購規(guī)范中被廣泛引用。在實際檢測中，必須嚴格按照產(chǎn)品技術(shù)條件或合同約定的標準執(zhí)行。

五、 檢測方法

1. 主要方法：

   • 三點彎曲法：操作簡單，應(yīng)用廣。但跨中剪力的存在可能影響結(jié)果準確性，尤其對于厚試樣。

   • 四點彎曲法：純彎曲段能更好地反映材料的均勻性，結(jié)果更精確，但設(shè)備稍復(fù)雜。

   • 纏繞法：主要用于線材、薄帶，操作簡便，能有效檢驗表面質(zhì)量。

   • 反復(fù)彎曲法：通過專用設(shè)備進行，記錄斷裂時的彎曲次數(shù)。

2. 操作要點：

   • 試樣制備：取樣位置和方向應(yīng)符合標準規(guī)定。邊緣應(yīng)去除毛刺，防止應(yīng)力集中。

   • 試驗速度：應(yīng)平穩(wěn)、均勻地施加力，通?？刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)（如1mm/s ~ 20mm/s），避免沖擊載荷。

   • 對中與放置：試樣應(yīng)準確放置在支座的中間位置，確保受力對稱。

   • 彎曲過程：應(yīng)連續(xù)進行直至達到規(guī)定角度。對于焊接接頭彎曲，需確保焊縫位于彎曲變形區(qū)的中心。

   • 結(jié)果觀察：彎曲完成后，立即用肉眼或放大鏡（通常不超過5倍）觀察試樣外表面和側(cè)面，檢查是否有裂紋、起皮或斷裂。

六、 檢測儀器

彎曲試驗機是核心設(shè)備，其技術(shù)特點如下：

1. 主機框架：具有足夠的剛度和試驗力容量，確保試驗過程中框架變形極小，保證精度。

2. 加載系統(tǒng)：

   • 機械式：通過蝸輪蝸桿或齒輪傳動，成本較低，維護簡單，但控制精度和功能相對單一。

   • 液壓式：通過油缸活塞加載，力值大，適用于大型試樣和重型行業(yè)，但可能存在油液泄漏和維護問題。

   • 電液伺服式：結(jié)合了電控的精確性和液壓的大出力，可實現(xiàn)力、位移的閉環(huán)精確控制，功能強大，是現(xiàn)代高性能試驗機的代表。

3. 測控系統(tǒng)：

   • 力值測量：采用高精度負荷傳感器。

   • 位移測量：采用光電編碼器或LVDT（線性可變差動變壓器）測量橫梁位移或壓頭行程。

   • 控制系統(tǒng)：可實現(xiàn)恒應(yīng)力、恒應(yīng)變、位移控制等多種控制模式，并能自動記錄力-位移曲線。

4. 附具：

   • 彎曲壓頭：具有規(guī)定的圓柱面半徑，硬度高，耐磨。

   • 彎曲支座：具有規(guī)定的頂端半徑和跨距調(diào)節(jié)功能。

   • 反復(fù)彎曲裝置：包含夾持鉗口和彎心，能實現(xiàn)自動計數(shù)。

七、 結(jié)果分析

1. 分析方法：

   • 宏觀觀察法：這是基本、常用的方法。彎曲后，觀察試樣受拉面（外表面）是否存在裂紋、裂縫或斷裂，并記錄其位置（母材、焊縫、熱影響區(qū)）、長度和寬度。

   • 測量法：測量彎曲角度是否達到規(guī)定值，或測量彎心直徑是否符合要求。

   • 力-位移曲線分析：在伺服控制試驗機上，通過分析彎曲過程中的力-位移曲線，可以獲取材料的初始彎曲剛度、大彎曲力等參數(shù)，用于研究和質(zhì)量對比，但并非常規(guī)評判依據(jù)。

2. 評判標準：

   • 合格判定：通常，在規(guī)定的彎曲條件下（d/a, 角度），試樣彎曲后外表面無肉眼可見的裂紋、起皮或斷裂，即判為合格。對于焊接接頭，還要求裂紋等缺陷不超過標準規(guī)定的尺寸（如長度、深度）。

   • 裂紋類型分析：

     • 橫向裂紋：通常垂直于拉伸應(yīng)力方向，表明材料塑性不足或存在冶金缺陷。

     • 縱向裂紋：可能與軋制方向或雜質(zhì)偏析有關(guān)。

     • 角部裂紋：可能源于試樣邊緣的應(yīng)力集中或邊緣缺陷。

     • 焊接接頭裂紋：出現(xiàn)在焊縫中心，可能為結(jié)晶裂紋；出現(xiàn)在熔合線，可能為冷裂紋；出現(xiàn)在熱影響區(qū)，可能為再熱裂紋或脆化區(qū)開裂。

   • 不合格原因分析：若試驗不合格，需從材料本身（化學成分、組織狀態(tài)、塑性差）、加工工藝（冷作硬化、熱處理不當）、焊接工藝（參數(shù)不當、保護不良）以及試驗操作（試樣制備不佳、對中不準）等方面追溯原因。