Page 40 - 理化检验-物理分册2024年第八期

沈 勇，等：Zr 61 Ti 2 Cu 25 Al 12 非晶态合金在四点弯曲加载模式下的弯曲弹性极限

线弹性阶段发生断裂，可将断裂时的最大应力定义 用跨厚比分别为（100~150）和（50~150），其数值较
为抗弯强度，而一些低塑性的金属材料（如铸铁、工 大。最近，LI等 [19-20] 首先在三点弯曲加载模式下测
具钢等）在弯矩作用下，试样外表层达到屈服应力后 得了厚度为1 mm ZT1合金的弯曲弹性极限，并且发
继续发生有限的塑性变形。非晶态合金通常被认为 现增加跨厚比，即比值不小于40时，ZT1合金将发
是准脆性材料，在拉伸试验中单一主剪切带失稳扩 生明显的大挠度弹性变形。尽管三点弯曲试验易于
展导致材料断裂前几乎没有任何塑性应变，但已有 操作，但是根据力学图像，三点弯曲仅在梁的跨中位
研究表明，一些锆基 [7-8] 、铜基 、钛基 [10] 非晶态合金 置一点处最外表层受最大正应力，并且其他位置均
[9]
在弯曲载荷下，试样最外表层剪切带的扩展受制于 受剪力的影响；而四点弯曲试样最外表层在两个压
应力梯度，触发多重剪切带萌生，可表现出一定程度 辊之间受最大正应力，且不受剪力的影响，为纯弯曲
的宏观塑性变形能力。由材料力学可知，当弯曲试 状态，如图1所示（图中a为力臂， L为下跨距， P为
样外表层发生塑性变形时，真实的应力-应变关系变 外加载荷， Q为剪力， M为弯矩）。因此，与三点弯
得十分复杂 [11-12] 。在这种情况下，准确地表征非晶 曲相比，最大正应力部位使得四点弯曲更适合用于
态合金在弯矩作用下的弹性极限应力，即弯曲弹性 表征材料强度，试验结果更具可靠性和科学性。
极限，对其作为精密弹性元器件非常重要。
弯曲弹性极限亦称弯曲保证强度或规定残余弯
曲强度，是弯曲试样最外表层产生一规定微小残余
应变时的极限应力，用σ p 表示， σ p0.01 、 σ p0.05 、 σ p0.2 分别
表示规定残余应变分别达到0.01%、0.05%和0.2%
时的最大弯曲应力 [13] 。对于高精度弹性元器件，材
料的弯曲弹性极限（弯曲初始屈服应力）是器件设
计的重要依据之一。然而，常规的单向加载弯曲试
验很难精确确定开始产生塑性变形的应力。目前，
工程上测试金属带材σ p 的标准可参考ASTM E855-
21《静载弹簧用金属板材弯曲试验方法》或中国黑
色冶金行业标准YB/T 5349—2014《金属材料弯曲
力学性能试验方法》执行。两个标准都规定了使用 图 1 简支梁四点弯曲的剪力和弯矩示意
循环加载-卸载试验测试σ p ，方法基本相同：在三点 笔者主要研究ZT1合金在四点弯曲载荷模式下
或四点弯曲试验装置上对试样逐级递增最大载荷， 测量弯曲弹性极限σ p0.01 的方法。首先，推导出保证
一直到卸载时，试样最外表层的残余应变达到规定 ZT1合金四点弯曲试样在小挠度变形范围内达到屈
值为止。按弹性弯曲应力公式计算最大载荷，即为 服应力的跨厚比上限，然后据此选择合适的四点弯
σ p 。不同的是，ASTM E855-21 推荐测试σ p0.01 ，而 曲试样和跨距尺寸，组建可测量微小挠度和载荷的
YB/T 5349—2014 测试R rb0.2 （等效于σ p0.2 ）。显然， 高精度测量系统，接下来采用循环加载-卸载试验测
测试σ p0.01 对试验装置对齐和测量系统（包括载荷、 试四点弯曲试样最外表层产生0.01%残余应变所对
位移）精度的要求更高，但结果会更接近材料的真 应的弯曲弹性极限σ p0.01 。
实弹性极限应力。非晶态合金成分受制于非晶形成
1 试验方法
能力，试样尺寸受到几何限制，残余挠度相应减少，
σ p0.01 测量难度进一步增大 [14] 。 1.1 四点弯曲试样跨厚比的选择
另一方面，弯曲试验测试结果的准确性与试验 通常，弯曲强度定义为试样最外表层承受的正应
装置的几何条件密切相关 [15-18] ，如支承辊半径和支 力在小挠度变形时所达到的弹性极限或屈服应力σ y 。
撑形式（可滚动辊或刀刃支撑）、下跨距与试样厚度 在小挠度变形时，弯矩的主要贡献来自于支撑辊处反
之比L/h （以下简称跨厚比）、力臂与下跨距之比a/ 作用力的垂直分量（等于外加载荷P的一半，即P/2）
L等，这些因素都将引入误差，影响测试结果的准 与力臂a的乘积，水平分量造成的弯矩通常忽略不计。
确性。目前，执行的金属材料弯曲强度标准ASTM 如果将下跨距固定，随着试样厚度的减小，在弹性变
E855-21及YB/T 5349—2014规定四点弯曲试样采 形阶段，试样的跨中处挠度将逐渐达到与下跨距之
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