弯曲是试样在弯曲应力作用下的形变行为。弯曲负载所产生的应力是压缩应力和拉伸应力的组合,其作用情况如图36-1所示。表征弯曲形变行为的指标有弯曲应力、弯曲强度、弯曲模量及挠度等。
图36-1 支梁在外力作用下的弯曲情况
弯曲强度 σ f ,也称挠曲强度(单位MPa),是试样在弯曲负荷下破裂或达到规定挠度时所能承受的最大应力。挠度 s 是指试样弯曲过程中,试样跨度中心的顶面或底面偏离原始位置的距离(mm)。弯曲应变 ε f是试样跨度中心外表面上单位长度的微量变化,用无量纲的比值或百分数表示。挠度和应变的关系为:
式中: L 是试样的跨度, h 是试样的厚度。
当试样弯曲形变产生断裂时,材料的极限弯曲强度就是弯曲强度。但是,有些聚合物即使发生很大的形变时,也不发生破坏或断裂,这样就不能测定其极限弯曲强度。这种情况下,通常是以试样外围最大应变达到5%时的应力作为弯曲屈服强度。
一般工程塑料、电绝缘材料和层压材料的弯曲性能测定可采用三点弯曲或四点弯曲两种方法。三点弯曲是在一个简支梁上施加一个中心负载,一个横截面为矩形或圆形的试样放置在两个规定距离的支座上,利用位于中间的压头来加载,如图36-2所示。
图36-2 三点弯曲实验示意图
四点弯曲方法如图36-3所示,四点弯曲实验体系中有两个负载点,负载点的距离及各负载点与邻近支座的距离相等,均为跨距的1/3。
图36-3 四点弯曲实验示意图
影响弯曲性能测试结果的主要因素包括以下几个方面:
(1)试样尺寸和加工。试样的厚度和宽度都与弯曲强度和挠度有关。
(2)加载压头半径和支座表面半径。如果加载压头半径很小,容易对试样引起较大的剪切力,从而影响弯曲强度。支座表面半径会影响试样跨度的准确性。
(3)应变速率。弯曲强度与应变速率有关,应变速率较低时,试样弯曲强度也偏低。
(4)实验跨度。当跨厚比增大时,各种材料均表现剪切力降低。可见增大跨厚比可减少剪切应力,使三点弯曲实验更接近纯弯曲。
(5)温度。就同一种材料来说,屈服强度受温度的影响比脆性强度的大。