ИСПЫТАНИЯ НА ИЗГИБ

Испытание на изгиб — один из основных и широко распространенных ви­дов испытания материалов [2] — рекомендуется для определения механических свойств хрупких и малопластичных при растяжении металлов (чугунов, инструментальных сталей, литых сталей и сплавов), чувствительных к перекосу и требующих специальных мер его предотвращения при испытании на растя­жение. Этот метод применяется, для оценки склонности к хрупкому разруше­нию высокопрочных сталей (метод «приборного изгиба»), а также при опре­делении вязкости разрушения и чувствительности к острым трещинам. Им широко пользуются в практике коррозионных испытаний и при приемочном контроле материалов как технологической про­бой для оценки пластичности и штампуемости материала, качества сварки и т. п. Существует два способа испытания на изгиб. Чистый (круговой) изгиб (рис. 1, а) с нагруженном образца через жесткую траверсу двумя сила­ми Р/2, приложенными на оди­наковых расстояниях (плечах) от опор, при этом эпюра изги­бающих моментов имеет форму трапеции, на длине l изгибаю­щий момент М постоянен и ра­вен (Р/2)а. Испытание на из­гиб сосредоточенной силой, приложенной в середине проле­та l (см. рис. 1, б), при этом эпюра изгибающих моментов—треугольник с наибольшим моментом М в середине длины образца, равным (Р/4)1.

Изгиб от сосредоточенной силы более распространен, однако предпочти­тельнее испытания на чистый изгиб, позволяющие более надежно оценивать механические свойства материала.

Используемые образцы представляют собой стержни прямоугольного, реже квадратного или круглого сечений. Длина образца обычно на 40—60 мм больше, чем расстояние между опорами, которое для уменьшения смятия образца под опорой задается равным (10—20)h, где h—высота сечения или диаметр образца (обычно h =10—30 мм). Ширина образца прямоугольного се­чения должна быть меньше трех толщин, иначе за пределом упругости из-за стеснения деформации по ширине образца в нем создается двухосное напря­женное состояние. Образцы из чугунных отливок, как и метод их испытания на изгиб в целом, регламентированы ГОСТом 2055—43.

* (ГОСТ 14019—68. Проба на загиб в холодном и горячем состоянии;

ГОСТ 14019—68. Проба на закаливаемость загибом; ОСТ 1685. Проба на сва­риваемость загибом; ГОСТ 13813—68. Проба на перегиб; ГОСТ 3728—66. Тру­бы. Метод испытания на загиб;

ГОСТ 1579—63. Проволока. Испытание на пе­региб).

Испытания на изгиб проводятся на универсальных машинах, которые имеют специальные приспособления в виде траверс с укрепленными на них опорами и нажимными клиньями для передачи нагрузки на образец. Для уменьшения трения опоры выполняются в виде роликоподшипников.

При испытаниях на изгиб по силоизмерителю машины отмечают действую­щее усилие и пересчитывают по нему, как было показано выше, значение из­гибающего момента; прогиб образца измеряют обычно в середине пролета, в сечении с наибольшим прогибом, диаграммными аппаратами, которыми снаб­жены машины типа ИМ, пресс Гагарина и т. п. или с помощью индикатор­ных и стрелочных тензометров. Исходной кривой при изгибе служит диа­грамма «нагрузка—прогиб» (рис. 2). При использовании проволочных тензодатчиков сопротивления, наклеиваемых на образец, измеряют удлинение ,

которое пересчитывают на прогиб: для чистого изгиба ; для изгиба сосредоточенной силой . При чистом изгибе в поперечных сечениях прямоугольных образцов на длине l возникают только нормальные напряжения, наибольшие у поверхности (рис. 3, а). Для достаточно узкого образца можно считать, что материал находится в одноосном напряженном состоянии.

В широких образцах () возникает двухосное напряженное состояние: попереч­ные деформации затруднены тем больше (это относится как к чистому изгибу, так и изгибу сосредоточенной силой), чем шире образец. При изгибе сосредоточенной силой по­мимо изгибающих моментов, вызывающих нормальные напряжения, возникают перерезывающие силы Q и соответствую­щие им касательные напряжения , которые действуют попарно в сечениях, параллельных и перпендикулярных оси образца.

Касательные напряжения достигают максимума в центре образца (см. рис. 3,б), где нормальные равны нулю. Касательные напряжения могут оказать существенное влияние на проч­ность и жесткость при изгибе лишь в случае короткого образца, когда , где h и l — высота и длина образца.

Результаты испытаний образцов на изгиб представляются в виде диа­грамм изгиба в координатах

«изгибающее усилие—стрела прогиба», по кото­рым определяются пределы пропорциональности ,

упругости, теку­чести и прочности . По формулам упругого изгиба могут быть опре­делены , и для любых и предел прочности — для хрупких материалов: - для случая изгиба сосредоточенной силой и, где Р – нагрузка; W – момент сопротивления;

l - расстояние между опорами или а — между точками приложения нагрузок (см. рис. 1). Значения сопротивления малым упруго-пластическим деформациям (,,) определяются с теми же допусками на оста­точную деформацию, что и при растяжении.

Для определения напряжений при значительных пластических деформа­циях (например, ) эти формулы непригодны, тем более, что многие доста­точно пластичные материалы при изгибе не разрушаются.

Отличительной особенностью испытаний на изгиб, также как и на круче­ние, является неравномерное распределение напряжений по сечению образца. Вследствие этого при изгибе, также как и при кручении, различают два вида предела текучести [5]: номинальный, рассчитываемый по формулам упру­гого изгиба в предположении линейного распределения напряжений по сече­нию вплоть до достижения крайними растянутыми волокнами заданного до­пуска на остаточное удлинение при определении предела текучести, и реальный, учитывающий действительное распределение напряжений по сечению образца при изгибе и определяемый как истинное напряжение, при котором в крайних волокнах образца возникает остаточная деформация, равная по величине заданному условному допуску. Обычно при определении пределов текучести при изгибе, также, как и при растяжении, принимается допуск на остаточное удлинение, равный 0,2%.

Номинальный предел текучести при изгибе, значение которого исполь­зуется в инженерных расчетах, для большинства металлических материалов приблизительно на 20% превосходит предел текучести при растяжении.

Реальный предел текучести, используемый обычно в исследовательских целях, например, для' сопоставления сопротивления малым упруго-пластиче­ским деформациям при разных видах нагружения, рек9мендуется определять при испытании прямоугольного образца на чистый изгиб графически по диа- ' грамме «наибольшее нормальное напряжение — наибольший сдвиг», получен­ной последовательным пересчетом из диаграмм «изгибающее усилие — про­гиб» и «изгибающий момент — удлинение»: ; . Наиболь­шее нормальное напряжение находят по формуле [3] , где — угол наклона касательной к упругой линии изогнутого образца ().

Производная - касательная к кривой определяется графически с помощью зеркальной линейки (см. стр. 44). По кривой Smax=f(е) при допуске на =0,2% находят истинный предел текучести при изгибе, зна­чение которого, как показал эксперимент [б], совпадает с пределом текучести при растяжении, что указывает на отсутствие влияния неоднородности распре­деления напряжений (имеющейся при изгибе и отсутствующей при растяже­нии) на реальный предел текучести.

Изгиб широких образцов, главным образом из стальных листов, был пред­ложен как метод оценки их склонности к хрупкому разрушению [7]. Образец c соотношениями размеров , ,

(b u h ширина и толщина образца; l - расстояние между опорами; R—радиус нагружаю­щего клина) нагружается сосредоточенной силой; при этом создается стесне­ние деформации по ширине образца и таким образом — двухосное напряженное состояние. При испытании необходима запись диаграммы в координатах «усилие—стрела прогиба», так как основной критерий оценки склонности к хрупкому разрушению (так называемый «бендтест, параметр») определяется из диаграммы как разность максимальной и критической нагрузок или, точнее, как разность напряжений, соответствующих этим нагрузкам. Уменьшение разности () свидетельствует об увеличении склонности к хрупкому раз­рушению.