彎曲和撓曲測試
簡介
彎曲測試（有時稱為撓曲測試或橫樑測試）用於測量材料在受到簡單樑載荷時的行為。這種測試通常用於相對柔軟的材料，如聚合物、木材和複合材料。最基本的彎曲測試是在萬能試驗機上進行，將試樣放置在兩個支撐台上，通過一個或兩個加載台施加力量使其彎曲，以測量其性能。
為什麼要進行彎曲/撓曲測試？
工程師們經常想要了解材料行為的各個方面，但簡單的單軸拉伸或壓縮測試可能無法提供所有必要的資訊。當試樣彎曲或撓曲時，它會受到包括拉伸、壓縮和剪切在內的複雜力的組合。因此，彎曲測試通常用於評估材料在實際載荷情況下的反應。
當材料用作支撐結構時，撓曲測試數據特別有用。例如，塑膠椅子需要在多個方向提供支撐。雖然使用時椅腿承受壓縮力，但座椅需要承受來自坐者的撓曲力。製造商不僅希望提供能夠承受預期載荷的產品，而且材料在發生任何彎曲時也需要能夠恢復到原始形狀。
彎曲/撓曲測試的類型
三點撓曲測試將試樣放置在兩個下支撐台之間，同時從中點處的單個上支撐台施加力量。均勻應力區域相當小，集中在中心加載點下方。不同的測試標準可能要求支撐台為固定、旋轉或搖動式。
四點撓曲測試與三點測試的不同之處在於它有兩個上支撐台，位於試樣中心的等距位置。在這種測試中，均勻應力區域存在於內跨加載點之間（通常為外跨長度的一半）。同樣，根據測試標準的要求，支撐台可能需要是固定、旋轉或搖動式的。通常，四點測試用於測量脆性材料的彎曲彈性模量。
撓曲/彎曲測試機
組件和零件
彎曲測試通常在萬能試驗機上進行。這些系統由配備
| 撓曲測試設置 | |
|---|---|
| 萬能試驗機負載機架有單柱或雙柱配置，力容量最高可達2,000 kN。 |
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| 測試軟體允許使用者配置測試方法和輸出結果。 |
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| 荷重元是測量施加於測試試樣的力的傳感器。Instron荷重元的精度可達荷重元容量的1/1000。 |
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| 撓曲測試需要上下支撐台在試樣的關鍵點施加力。支撐台的數量由所進行的測試類型決定。 |
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萬能試驗機有多種不同尺寸和力容量，範圍從0.02 N到2,000 kN。大多數低力測試在電機式單柱或雙柱台式機器上進行，而較高力的應用需要落地式機架。Instron的6800系列系統的容量範圍高達300 kN，可以執行多種不同類型的測試，包括拉伸、壓縮、彎曲、剝離、撕裂、剪切、摩擦、穿刺等。Instron的工業系列伺服液壓系統專為高強度金屬、合金和先進複合材料的更高容量測試而設計，而ElectroPuls系列則專為動態疲勞測試而設計。
用於測試塑膠、金屬、合金、複合材料、微電子和元件
目錄編號2810-400
目錄編號2810-182
目錄編號2810-206
目錄編號W-6810
目錄編號W-6812
目錄編號2810-410、2810-411
目錄編號2810-412、2810-413
目錄編號2810-500/505
目錄編號2810-600/605
撓曲測試數據分析
了解材料的機械性能
撓曲測試通常按照ISO、ASTM或其他認可的標準進行，這些標準會規定測試速度和試樣尺寸等變數。試樣通常是剛性的，可以由塑膠、金屬、木材和陶瓷等各種材料製成。最常見的形狀是矩形條和圓柱形試樣。
撓曲測試在試樣的凸面產生拉伸應力，在凹面產生壓縮應力。這在中線處產生剪切應力區域。為確保主要失效來自拉伸或壓縮應力，必須通過控制跨度與深度比（外跨長度除以試樣高度）來最小化剪切應力。對於大多數材料，S/d=16是可接受的。某些材料需要S/d=32至64以保持足夠低的剪切應力。
最大纖維應力和最大應變是按載荷增量計算的。結果繪製在應力-應變圖上。撓曲強度定義為最外層纖維中的最大應力。這是在試樣凸面或拉伸側的表面計算的。撓曲模量是從應力與撓度曲線的斜率計算得出。如果曲線沒有線性區域，則通過在曲線上擬合割線來確定斜率。
計算值（如最大力和最大延伸量）可以像基於荷重元和延伸讀數的正常拉伸或壓縮測試一樣記錄。應力和應變值的計算方式不同，因為它們包含撓曲夾具支撐跨度和載入跨度（適用於四點彎曲測試）。記錄這些測量值與正確記錄試件的尺寸同樣重要。一旦將這些值輸入到 Bluehill Universal 中，當請求時，將自動計算撓曲模量等計算。
典型材料
聚合物
聚合物最常使用三點彎曲測試。試樣撓度通常由橫梁位置測量，測試結果包括撓曲強度和撓曲模量。
木材和複合材料
木材和複合材料最常使用四點彎曲測試。四點測試需要撓度計來準確測量支撐跨度中心的試樣撓度。測試結果包括撓曲強度和撓曲模量。
脆性材料
當對陶瓷或混凝土等脆性材料進行三點彎曲測試時，撓曲強度通常稱為斷裂模量（MOR）。此測試僅提供撓曲強度數據，而不提供剛度（模量）。四點測試也可用於脆性材料，但在這些情況下，支撐台和加載台的對準至關重要，這些材料的測試夾具通常具有自對準支撐台。
彎曲/撓曲測試標準
塑膠、彈性體和金屬的測試標準
大多數測試都是按照以下組織發布的既定標準進行的 ASTM 和 ISO. 這些標準規定了不同類型原材料的可接受測試參數和結果，例如 metals, plastics, 彈性體、紡織品和 composites, 以及成品，例如 medical devices, automotive parts, 和 consumer electronics. 這些標準確保進入供應鏈的材料和產品具有可預測的機械性能，並且不太可能在預期的最終用途中失效。 由於產品失效的成本和安全影響不容忽視，建議公司投資高品質、精確的測試設備，這些設備專門設計用於幫助他們輕鬆確定其產品是否符合適用標準。
- ASTM C1550 | 纖維增強混凝土的撓曲韌性
- ASTM C1609 | 纖維增強混凝土的撓曲測試
- ASTM C880 | 尺寸石材的撓曲強度
- ASTM C99 | 尺寸石材的斷裂模量
- ASTM D143 | 木材的撓曲性能
- ASTM D6272 | 塑膠和電絕緣材料的撓曲性能
- ASTM D790 | 塑膠的撓曲測試
- ASTM E190 | 焊接導向彎曲測試
- ASTM E290 | 材料延展性的彎曲測試
- ASTM F2606 | 球囊擴張血管支架和支架系統的三點彎曲
