机械零件或建筑结构在实际使用过程中会承受不同形式和大小的外力, 为充分揭示材料的力学行为和性能特点, 还常常采用拉伸、扭转、弯曲、压缩等不同加载方式的试验方法, 以充分反映材料在不同应力状态下的力学行为和性能特点^[1]。作为一种重要的测定金属材料承受弯曲塑性变形能力的试验方法, 弯曲试验在金属制品出厂检验以及监督检验中被广泛应用。在日常的检验过程中, 由于材料类别、形状的不同、弯曲角度及弯曲形式的不同, 弯曲试验方法也各有不同。图 1和图 2为实验室常见的弯曲试验机, 其中图 1为三点弯曲试验机, 图 2为钢筋弯曲试验机。

图 1

图 1 三点弯曲试验机

图 2

图 2 钢筋弯曲试验机

对几种常用的金属材料弯曲试验方法进行对比和研究, 包括：《GB/T 232-2010金属材料弯曲试验方法》、《GB/T 235-2013金属材料薄板和薄带反复弯曲试验方法》、《GB/T 238-2013金属材料线材反复弯曲试验方法》、《GB/T 244-2008金属管弯曲试验方法》、《GB/T 2653-2008焊接接头弯曲试验方法》、《GB/T 28900-2012钢筋混凝土用钢材试验方法》、《GB/T 15825.5-2008金属薄板成形性能与试验方法第5部分：弯曲试验》、《YB/T 5126-2003钢筋混凝土用钢筋弯曲和反向弯曲试验方法》和《YB/T 5349-2014金属材料弯曲力学性能试验方法》等9个标准, 以期更好地掌握不同的弯曲试验方法的侧重点和适用性, 对实际的试验过程中起到更好的指导作用, 获得更加可靠准确的试验数据。

弯曲试验方法按照材料种类不同分为金属薄板和薄带材、金属管材、金属焊接接头、钢筋或者型钢等产品类型。除不适用金属管材和金属焊接接头等材料, GB/T 232适用于薄板材、薄带材以及钢筋、型钢等金属材料相关产品标准规定试样的弯曲试验, 适用范围较为广泛。各种产品由其相应具体弯曲试验方法标准规定进行试验。金属薄板和薄带产品按照标准GB/T 235-2013的要求进行试验；金属线材反复弯曲试验采用GB/T 238-2013标准进行；对于焊接接头的弯曲试验方法采用GB/T 2653-2008标准要求进行；钢筋混凝土用钢材试验方法采用GB/T 28900-2012标准要求；金属薄板成形性能中弯曲试验采用GB/T 15825.5-2008进行性能参数的测定；钢筋混凝土用钢筋的弯曲和反向弯曲采用YB/T 5126-2003标准要求进行测定；YB/T 5349-2014标准采用三点弯曲和四点弯曲方法测定弹性直线斜率、规定塑性弯曲强度、规定残余弯曲强度、抗弯强度、断裂挠度等参数。

对于GB/T232标准来说, 试样制备通常按相关的产品标准来执行, 如未规定, 则按照GB/T 2975的要求来制备^[2], 试样宽度和厚度也应按照相关产品标准的要求；对于GB/T 235标准来说, 试样的尺寸要求为：厚度为产品的厚度, 宽度为机加工取样, 宽度范围控制在20 mm到25 mm的范围内, 若试样宽度大于25mm, 可协商采用其它宽度, 试样长度约150 mm^[3]；GB/T 238标准规定试样应尽可能平直, 必要时可以用手矫直, 而线材采用原试样^[4]；GB/T 244标准规定试样应为金属直管一部分, 试样长度以满足试验要求为准^[5]；GB/T 2653标准规定试样的制备应不影响母材和焊缝金属性能, 标准对于厚度和宽度的要求根据正弯、背弯、侧弯、纵向弯曲的不同作出具体的规定^[6]；GB/T 28900标准规定从符合交货状态的钢筋产品上制取, 从盘卷上制取的试样, 可以进行简单的弯曲矫直, 并确保最小的塑性变形；GB/T 15825.5标准推荐采用宽度50 mm±0.5 mm, 长度150 mm±2.0 mm的条形试样；GB/T 5126标准规定试样应保留原轧制表面, 并应平直, 试样长度以满足试验要求为准；YB/T 5349标准规定试样形状和尺寸按照相关产品标准或协议规定^[7]。

GB/T 232标准采用三点弯曲试验方法, 试验速率应为(1±0.2)mm/s；GB/T 235标准和GB/T 238标准规定试样进行反复弯曲, 每秒应不超过一次, 弯曲时平稳无冲击；GB/T 244标准规定在弯曲过程中弯管试验机将不带填充物的管试样弯曲, 试验时应确保试样弯曲变形段与金属管弯芯紧密接触, 直至达到规定的弯曲角度, 若有焊缝, 则焊缝应置于与弯曲平面呈90°的位置；GB/T 2653标准规定应根据弯曲部位及弯曲方式不同来进行弯曲, 弯曲采用三点弯曲方法, 弯曲角度按相关的产品标准规定执行；GB/T 28900标准规定试样应在弯芯上弯曲, 弯曲角度和弯芯直径应符合相关产品标准规定；GB/T 15825.5标准采用三点弯曲法, 采用一系列具有不同底部弧面半径的凸模, 按规定弯曲角度, 检查其变形区外侧表面是否有产生裂纹或显著凹陷；GB/T 5126标准规定试样应绕弯曲圆弧面(弯心)进行弯曲和反向弯曲, 弯曲角度和弯曲圆弧面(弯心)直径应符合相关产品标准要求, 弯曲速度应不大于20°/s；YB/T 5349标准采用三点弯曲试验装置或者四点弯曲试验装置来进行试验, 测定弹性直线斜率、规定塑性弯曲强度、规定残余弯曲强度、抗弯强度、断裂挠度等参数。

图 3为牌号为Q235、厚度为10 mm的钢板试样的弯曲试验后的试样图片。将此钢板样品按照《GB/T 232-2010金属材料弯曲试验方法》^[8]标准要求进行试样制备, 制得试样宽度为20 mm, 厚度即为试样的厚度, 弯曲试验的弯芯即为试样的厚度10 mm, 弯曲角度为180°, 弯曲试验速率设置为1 mm/s。试验过程按照GB/T 232-2010的标准要求进行弯曲试验操作, 在试验结束后, 用肉眼观察试样的表面(镀锌层表面不作为考察表面), 发现金属受弯曲部位表面无裂纹产生, 样品弯曲试验符合GB/T 232-2010的标准要求^[9]。

图 3

图 3 钢板弯曲试验后形貌

GB/T 232标准规定应按照相关产品标准的要求评定弯曲实验结果。如未规定具体要求, 弯曲试验后不适用放大仪器观察, 试样弯曲外表面应无可见裂纹评定为合格；GB/T 235和GB/T 238标准规定连续试验至相关产品标准中规定的弯曲次数, 或者连续试验至试样完全断裂为止, 试样断裂的最后一次弯曲不计入弯曲次数；GB/T 244标准规定对弯曲试验结果的说明应依据相关产品标准的要求。当产品标准中未做规定时, 在不适用放大镜的情况下, 如果无可见裂纹, 应评定为合格；GB/T 2653标准规定, 弯曲结束后, 试样的外表面和侧面都应该进行检验, 应依据相关标准对弯曲试样进行评定并记录, 除非另有规定, 在试样表面上小于3 mm长的缺欠应判为合格；GB/T 28900标准规定弯曲试验应根据相关的产品标准的规定进行判定, 当产品标准没有规定时, 若弯曲试样无目视可见的裂纹, 则判定该试样为合格；GB/T 15825.5标准要求计算出最小相对弯曲半径R_min/t以及平均最小相对弯曲半径R_min/t, 计算结果保留一位小数；GB/T 5126标准规定, 试验完成后应仔细观测试样, 若无目视可见的裂纹, 则判定为合格；YB/T 5349标准依据相应的性能测定程序, 得出弹性直线斜率、规定塑性弯曲强度、规定残余弯曲强度、抗弯强度、断裂挠度等, 并将试验结果数值按照相关产品标准的要求进行修约, 如未规定具体要求, 应使用GB/T 8170规定的方法进行修约^[10]。

对比了九个常用的金属材料弯曲试验方法的方法标准的具体要求, 对各个方法标准所适用的材料类型、试样制备过程、试验程序和结果评定等方面进行了对比和总结。可以看出, 在实际的检验或研究过程中, 操作者应按照不同的材料种类以及不同的参数测定要求来选择不同的弯曲方法标准, 并严格按照标准的要求来进行试样的制备和试验的操作, 并根据标准判定要求来进行试验结果判定。这对在实际试验过程中弯曲试验标准的选择和试验操作关键点的控制起到了指导作用。