脆性材料弯曲强度试验方法评价

rockston

脆性材料弯曲强度试验方法评价

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随着科学技术的飞速发展，以先进的结构陶瓷和陶瓷基复合材料为代表的脆性材料广泛应用于航空航天工业及许多工程结构中，而强度是这些材料在使用条件下维护其自身状态稳定的最基本性能之一，因此，测定这些材料的强度具有非常重要的现实意义。强度作为一种力学性能有不同的表征方法，如常用的抗拉伸、抗压缩、抗弯曲及抗剪切强度等。试样的破坏常常从内部或表面微缺陷(如微裂纹、孔洞等)开始，这些微缺陷随机分布在整个试样上。对于均匀单轴拉伸试验。由于标距内的任一横截面上承受均匀的拉应力，强度受到整个标距内微缺陷的影响，试验结果能较真实地反映被测材料的强度。但由于脆性材料弹性模量很高，在受力过程中，缺乏自身形变机制，对轴向的偏心载荷无法通过自身的塑性变形来调节，附加弯曲应力很大，使测试结果偏低，且单轴拉伸试样形状复杂，尺寸大，加工困难，因此单轴拉伸试验尚未广泛应用于脆性材料的强度评价，各国也未制定相应的拉伸试验标准，目前，脆性材料大都采用弯曲强度作为力学性能指标，我国己制定了工程陶瓷弯曲强度测试的规范。

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图1  弯曲试样应力分布

1  弯曲强度试验机理

脆性材料的抗拉能力远小于抗压，所以弯曲试件的破坏也是由拉应力引起的，和拉伸破坏属同一破坏机理，只是单轴拉伸试验的拉应力均匀分布于标距内的横截面上，而弯曲试验试样截面上的应力分布如图1所示，是非均匀分布的。

对于一个具有线性应力——应变关系且均质、各向同性的弯曲试样，其最外层承受的应力为：

σ=MC/I

其中：M——外力矩；

C——中性轴到最外层的距离；

I——横截面的惯性矩。

一般用于弯曲强度试验的加载方式有：三点弯曲，四点弯曲及悬臂加载法。我们主要讨论常用的三点及四点弯曲方法。三点弯曲是弯曲试验中最简单的一种方式，其加载方式及理想的弯矩分布如图2(a)所示。

从图中可以看出，由于三点弯曲法最大弯矩发生在试样跨中横截面上，受微缺陷影响的概率较四点弯曲法小得多，在一些要求严格的结构设计中，有时认为不足以评价材料的弯曲强度，因此常用四点弯曲法。理论上讲，四点弯曲法最大弯矩分布在试样上一个较大的范围内，两个内载荷点之间无剪应力影响，处于纯弯曲状态，如图2(b)所示。

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图2  弯曲试样弯矩分布图

力学性能试验一个最基本的要求是已知施加的力与产生的应力之间的关系，这些关系式的得到取决于试件的受力情况是静定或静不定。静定问题的力——应力关系式应考虑应力分布的情况及静态平衡；静不定问题除知道静态平衡条件外，还应了解应变分布及材料应力——应变关系的一些常识和假设，两者的主要区别在于静定问题的力——应力关系式与材料特性无关，而静不定问题则必须考虑材料的特性。例如，一个承受直接，单轴拉伸力的均匀拉伸试样(静定)，基本假设是应力均匀分布在标距内的每一个横截面上，应力=作用力/横截面积，不管材料是线弹性，非线弹性或塑性此公式都适用。对于弯曲试验(静不定)，假设应变从试样跨中下表面最大的拉应变到上表面最大的压应变呈现线性分布，相应的，应力分布取决于材料的应力——应变曲线，如应力——应变曲线是线性的应力分布也是线性的，反之亦然，脆性材料的弯曲试验，通常是线弹性范围内的一次性脆断，试样的临界最大破坏应力远小于屈服应力，故在最大应力处不出现塑性屈服区的应力松驰，应力——应变曲线呈线性，即最大拉、压应力分别位于试样跨中下、上表面上。从以上分析得知，弯曲试样横截面上的应力呈不均匀分布，对材料抗拉能力的衡量不如直接拉伸法全面。但由于弯曲试样及加工装置简单易得，试验实现容易，故目前广泛用于评价脆性材料的强度。

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2  弯曲强度试验中的误差来源

2.1 非理想的材料特性

如果试样材料完全均质且呈线弹性，对其施以规定的载荷，通过弹性理论可计算出理想的应力分布。然而，对于一些金属与陶瓷复合材料，其应力应变曲线并非线性，这样在弯曲强度试验中根据应变分布从而计算的应力分布值则偏大，即存在误差，如图3所示。

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图3  理想应力与实际应力的差别
图4  楔形影响下的载荷及应力分布

如MgO/Ni系梯度功能材料，将不同体积含量MgO/Ni系混合粉在包套内经100MPa静水压处理，在一定条件下烧结后，对6组不同组成比烧结体的弯曲强度进行测定，结果见下表(3)。

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从表中可以看出，在镍体积含量为80%和100%处，弯曲强度明显偏大，这与金属镍的特性有很大关系。因为镍塑性较好[3]，随着Ni含量的增加，MgO/Ni复合体系的应力——应变曲线会明显偏离理想的线性关系，从而产生了较大的计算误差(偏大)。另外，实际的脆性材料(如陶瓷)包含许多引起应力偏离于理想情况的缺陷，如孔隙、微裂纹、晶界等，其数量多且自由分布于材料内，可被看作是材料的固有裂纹，分布在这些地方的应力会偏离理想情况。对于一些有争议的数据，有必要在试验前对试样进行X光或正电子湮没等一些无损探伤检查或试验后仔细检查试样断口。

2.2 尺寸效应

实验表明，在材料弯曲强度试验中，不同尺寸的试样，其强度测试值不同，尺寸越小弯曲强度的测试值越大，如对一组2×4×30mm3的试件分两种情况做弯曲试验，以2mm的梁为高度，得强度为267.5MPa；以4mm为高度，强度为229.3MPa。可见，为了便于比较，应尽量采用尺寸相同的试样，另外，工程人员在结构设计中，也应考虑尺寸效应的影响，以确保安全。

2.3 楔形效应

弯曲载荷常通过刀刃或垂直于试样中性轴的小滚柱施加于试样上，载荷点处产生的较高应力往往会使试样局部压碎，即产生楔形，使试样剪切破坏。试样的局部破坏改变了受力情况，使载荷通过一个半圆体施加在试样上，这样实际施加给试样的力除了一个垂直力P外，还附加了幅值为P/π的水平力，两个水平力相互平衡，在它作用的小区域内产生均匀拉应力，其值为P/π/截面积和一个P/π·h/2的力矩。在这些力与力矩的综合作用下，理论最大应力值不可能达到，实际的最大应力位于跨中一个很小范围的两边，而非跨中，如图4所示，很多时候三点弯曲试验破坏并非发生在跨中可能是缘于此原因。楔形影响对四点弯曲法较三点法小，由于产生楔形，两个内加荷点下面局部范围内拉应力有所下降，两个内加载点之间的恒应力偏离正常情况。楔形修正是试样厚度与弯矩臂之比(t/a)的函数。如弯矩臂比试样厚度大2～3倍，则应力降低将小于5%[6]，并随着弯矩臂的增大迅速减小，以致可以忽略。另外，试样表面不平行引起的扭转，试样表面与载荷点处产生的摩擦力及载荷点的误差都是弯曲试验产生误差的根源，在试验中应尽量消除或减小。

3  结论

弯曲强度作为脆性材料力学性能主要的衡量指标，与拉伸强度比试样简单易得，试验成功率高，故目前被广泛采用。但由于试样截面上应力分布的非均匀性，在评价材料性能方面有其局限性。另外，有些材料的应力——应变曲线在弯曲试样高度呈非线性分布，会使弯曲强度的计算值较实际值偏大，一些新型材料因材料设计方面的原因拉应力区与压应力区不均质，弯曲试样的中性轴亦会改变，使得应力分析变得复杂，对此，要有比较清楚的认识，以正确评价材料的性能，更好地指导新材料研制。

khtseng

正需要这方面的资料，谢谢楼主的分享。

littlem6688

非常实用的资料，谢谢楼主分享。

zhg9614137

学习了，多谢楼主。