实验6 弯曲性能测定 (2)

实验六 弯曲性能测定
一、 目的要求
1. 明确弯曲试验为何可作为复合材料的筛选试验缘故。

2. 了解方法要点，测试塑料及玻璃钢弯曲强度。

二、 原理
复合材料的弯曲试验中试样的受力状态比较复杂，有拉力、压力、剪力、挤压力等，因而对成型工艺配方、试验条件等因素的敏感性较大。

用弯曲试验作为筛选试验是简单易行的，也是比较适宜的。

玻璃纤维增强塑料弯曲性能试验方法（GB1449－83）适用于测定玻璃纤维织物塑料板材和短切玻璃纤维增强塑料的弯曲性能，包括弯曲强度、弯曲弹性模量、规定挠度下的弯曲应力、弯曲载荷－挠度曲线。

GB1042－79适用于塑料弯曲性能测定。

1.弯曲强度。

弯曲试验一般采用三点加载简支梁，即将试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破坏时的强度为弯曲强度
2
23bh
Pl
f =
σ 式中
f σ——弯曲强度（或挠度为1.5倍试样厚度时的弯曲应力）
，Mpa ； P ——破坏载荷（或最大载荷，或挠度为1.5倍试样厚度时的载荷），N ；
l ——跨距，cm ；
b 、h ——试样宽度、厚度，cm 。

2．弯曲弹性模量。

它是指在比例极限内应力与应变比值
f
bh P
l E f ∆⋅∆⋅=3
34 式中 f E ——弯曲弹性模量，Mpa ；
P ∆——载荷－挠度曲线上初始直线段的载荷增量，N ； f ∆——与载荷增量P ∆对应的跨距中点处的挠度增量，cm 。

3．某些试验由于特殊要求，可测定表观弯曲强度，即超过规定挠度时（如超过跨距的10％）载荷达到最大值时的弯曲应力。

在此大挠度试验时，弯曲应力最好用下面的修正公式：
]){41[232
2
l f bh Pl f
+=
σ
式中 f ——试样跨距中点处的挠度，cm 。

三、 方法要点
（一） 试样
试样型式和尺寸见图55-1，表55-1、表55-2、表55-3。

（二） 试验条件与步骤
弯曲试验装置示意图55-2。

加载上压头圆柱面半径R 为5±0.1mm ，支座圆角半径r 为2±0.2mm （当h ﹥3mm 时）和0.5±0.2mm （当h ≤3mm 时），若试样出现明显支座压痕，r
应改为2mm 。

1. 加载速度。

仲裁试验时（跨厚比1/h=16±1时），v ＝h/2mm/min ，常规试验时v ＝
10mm 、min 。

测定弯曲弹性模量及弯曲载荷－挠度取线时v ＝2mm/min 。

2. 规定挠度。

取试样厚度的1.5倍。

3. 跨厚比。

一般取16±1。

对很厚的试样，为避免层间剪切破坏，可取大于16，如32
或40等。

对很薄的试样，为使其载荷落在试验机许可的量程范围内，可取小于16，如10。

测定弯曲弹性模量和弯曲载荷－挠度曲线时，将测量变形仪表置于试样跨距中心与试样下表面接触，施加约为5％破坏载荷的初载，检查并调整仪表使整个系统处于正常状态，然后分级加载（测弹性模量时至少分五级加载），施加载荷不超过破坏载荷的50％，记录各级载荷和挠度，亦可自动连续加载和记录。

测定弯曲强度时连续加载。

在挠度小于或等于1.5倍试样厚度下呈现最大载荷或破坏的材料，记录最大载荷或破坏载荷。

在挠度等于1.5倍试样厚度下不呈现破坏的材料，记录该挠度下的载荷。

试样呈层间剪切破坏，有明显内部缺陷或在试样中间的1/3跨距1以外破坏的试样应予作废。

四、方法说明
1. 根据材料品种和形式的不同选择不同的弯曲试验方法。

为了使试验结果具有可比性，不要轻易改变试验方法。

2. 弯曲试验一般采用三点加载简支梁法，在弯曲过程中同时受到正应力和剪力的影
响。

中性层不受拉应力也不受压应力，中性层下面纤维受拉应力，中性层上面纤维受压应力。

根据材料力学分析，梁最外层纤维拉、压应力都最大，其值可用下式表示：
W
M =max σ 对于矩形截面梁：
62bh W = 4
max Pl
M =
2
max 23bh
Pl
=σ 对于圆形截面梁： 32
3
d W π=
4
max Pl M =
3
max 8d
Pl
πσ= 式中 M ——弯矩，N ·m ；
W ——断面系数，cm 3；
max σ——最大正应力（弯曲应力），Mpa ；
l ——试样跨距，cm ；
b 、h ——试样宽度、厚度，cm ；
d ——圆试样直径，cm 。

三点弯曲试验是在非纯弯曲情况下进行的，试样的横截面上既有正压力σ，又有剪切应力ι。

距形截面的最大剪切应力为：
bh
P ⋅=
43ι 最大剪切应力发生在矩形截面试样厚度的中性层，因此对矩形截面试样，横截面受到的最大正应力（即最大弯曲应力）与最大剪切应力有如下比值关系：
h l bh
P bh Pl mzx 243232max
=⋅⋅=
ισ 从上式可见，在进行弯曲试验时，为了尽量减少剪切应力的影响（特别是层压材料），必须取足够大的跨厚比（l/h ）。

如取l/h ＝10，则剪切应力的影响为5％；若l/h ﹤10，则剪切应力的影响更大，将会给试验结果带来影响，所以试验方法都规定l/h ﹥10。

3．压头圆柱面R 太小，对试样易产生明显的压痕；压头圆柱面R 太大，对于小跨度会增加剪切应力的影响，一般规定R 为5±0.1mm 。

下支座圆角半径r 一般为2±0.2mm ；当厚度h ≤3mm 时，r 为0.5±0.2mm 。

4．弯曲试验中，外层纤维应变速率对试验结果亦有明显的影响，一般用上压头移动速度来控制。

对于常规试验，上压头移动速度采用10mm/min 。

五．实验现象和数据记录
现象： 样条逐渐弯曲，在弯曲点上可以清楚地看到一条白线，白线的产生为应力发白现象；最后断裂。

应力发白现象在拉伸的实验中更为明显。

数据记录:
弯曲试验
符号 单位 PE/PP
PP/PE/EPDM
弯曲模量
MPa
869.6 286.1 328.1 375
261.4 456.4 281.3
234.4
弯曲强度
MPa
26.26 28.61 28.03 27.33 22.08 29.19 25.45
20.44
说明：由于红色的数据误差较大，分析时应考虑去除。

PE/PP 的平均弯曲模量：=（286.1+328.1+375）/3=329.7
PP/PE/EPDM 的平均弯曲模量：
=(261.4+281.3+234.4)/3=259
PE/PP的平均弯曲强度:=(28.61+28.03+27.33)/3=27.99
PP/PE/EPDM的平均弯曲强度:=(22.08+25.45+20.44)/3=22.66
PE/PP PP/PE/EPDM
样品
平均弯曲模量MPa 329.7 259
平均弯曲强度MPa 27.99 22.66
数据分析：由上表可以看出，PE/PP的平均弯曲模量和平均弯曲强度都比PP/PE/EPDM的要大；这主要是由于EPDM中有较好的柔性链
段，且对PP和PE有较好的相容性，对改善结晶性的PE和PP的共混物产品的抗弯曲等性能起到较好的作用。

有有前面的注射实验和冲击实验以及拉伸试验都可以看出，加工条件，对产品的弯曲等性能有较大的影响。

六、现象分析与讨论思考
1、塑料弯曲性能试验的影响因素
答：1.试样尺寸
横梁抵抗弯曲形变的能力与跨度和横截面积有很大关系，尤其是厚度对挠度影响更大。

同理，弯曲试验如果跨度相同但试样的横截面积不同，则结果是有差别的。

所以标准方法中特别强调（规定）了试样跨度比，厚度和试验速度等几方面的关系，目的是使不同厚度的试样外部纤维形变速率相同或相近，从而使各种厚度之间的结果有一定可比性。

在《塑料弯曲性能试验方法》（《GB/T 9341-2000》）中规定了跨度L，使其符合式(4)：L=（16±1）h (4)
同时规定若选用推荐试样，则尺寸为：长度l=80±2；宽度b=10.0±0.2；厚度h=4.0±0.2。

当不可能或不希望采用推荐试样时，须符合下面的要求：试样长度和厚度之比应与推荐试样相同，如式（5）所示：
l/h=20±1 (5)
试样宽度应采用表1给出的规定值。

表1 与厚度相关的宽度值b mm
2.试样的机械加对结果有影响。

有必要时尽量采用单面加工的方法来制作。

试验时加工面对着加载压头，使未加工面受拉伸，加工面受压缩。

3.加载压头圆弧半径和支座圆弧半径
加载压头圆弧半径是为了防止剪切力和对试样产生明显压痕而设定的。

一般只要不是过大或过小，对结果影响较小。

但支座圆弧半径的大小，要保证支座与试样接触为一条线（较窄的面）。

如果表面接触过宽，则不能保证试样跨度的准确。

4.应变速度
试样受力弯曲变形时，横截面上部边缘处有最大的压缩变形，下部边缘处有最大的拉伸变形。

所谓应变速率是指在单位时间内，上下层相对形变的改变量，以每分钟形变百分率表示，试验中可控制加载速度来控制应变速度。

随着应变速率和加载速度的增加，弯曲强度也增加，为了消除其影响，在试验方法中对试验速度作出统一的规定，如《GB/T 9341-2000》规定了从表2中选一速度值,使应变速率尽可能接近1%/ min，这一试验速度使每分钟产生的挠度近似为试样厚度值的0.4倍，例如符合推荐试样的试
验速度为2mm/min。

一般说来应变速率较低时，其弯曲强度偏低。

表2 试验速度推荐值
试验速度一般都比较低，这是因为塑料在常温下均属粘弹性材料，只有在较慢的试验速度下，才能使试样在外力作用下近似地反映其松弛性能和试样材料自身存在不均匀或其他缺陷的客观真实性。

5.试验跨度
弯曲试验大多采用“三点式”方式进行。

这种方式在受力过程中，除受弯矩作用外，还受剪力的作用。

故采用“三点式”方式进行测试，对于反映塑料材料的真实性能是存在一定问题的。

因此，国内外有人提出采用“四点式”方式进行测试。

目前进行工作较多的还是采用“三点式”方式，用合理的选择跨度和试样厚度比(L/h)来达到消除剪力影响的目的。

6.环境温度
和其他力学性能一样，弯曲强度也与温度有关。

试验温度无疑对塑料的抗弯曲性能有很大影响，特别是对耐热性较差的热性塑料。

一般地，各种材料的弯曲强度都是随着温度的升高而下降，但下降的程度各有不同。

7.试样不可扭曲，表面应相互垂直或平行，表面和棱角上应无刮痕、麻点。

2.为什么要用弯曲试验方法?
答: (1)弯曲试验方法的应力状态介于拉伸和扭转试验方法之间，常用于测定脆性材料的力学性能。

(2)当材料硬度高脆性大时，如用拉伸试验，拉伸试棒两端容易有应力集中和表面缺陷，装夹试样时稍有不对中，就会引起附加弯曲应力，这都会造成拉伸数据的散乱，而用光滑的矩形、方形和园形试样进行弯曲试验，就可避免应力集中的影响，操作也很简便。

对高硬度材料进行扭转试验时，当材料硬度大于HRC52-53时，试样会脆断出现飞裂，所以也不宜进行扭转试验。

此外，弯曲试验更接近于多数工具的工作条件，更能反映成分和组织对性能的影响，因此，可为选择最佳工艺参数提供参考。

(3)进行弯曲试验时，将圆形或矩形及方形试样放置在一定跨距L的支座上，进行三点弯曲或四点弯曲试验，通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，通常求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和朔性。

用四点弯曲的加载方式，一般可以得到比较准确的结果，同时也能较好地反映材料的内部缺陷影响，因为弯矩均匀分布在整个试样工作长度上，试样破断是发生在该段体积内某些组织缺陷较集中的地方，而用三点弯曲加载，则总是在集中载荷F的施加处破坏。