Metalų lenkimo stipris – lenkimo įtempis, lenkimo momentas ir lenkimo bandymas

Lenkimo stipris apibūdina medžiagos ar bandinio elgseną veikiant apkrovai, dėl kurios jis lenkiasi. Lenkimo metu elemento skerspjūvyje vienu metu atsiranda tempimo ir gniuždymo įtempiai, o tarp jų yra neutralioji ašis. Kaliojo metalo lenkimo stiprio sąvoka reikalauja kruopštaus aiškinimo. Bandinys gali pasiekti takumo ribą ir patirti didelę liekamąją deformaciją nesulūždamas. Todėl, priklausomai nuo bandymo tikslo, be kita ko, analizuojamas įtempis esant konkrečiai deformacijai, takumo pradžia, didžiausias vardinis įtempis arba bandinio gebėjimas lenktis nesulūžus.

Kas yra lenkimas?

Lenkimas yra apkrovos režimas, kai lenkimo momentas sukelia išlenktą elementą. Paprastai viena skerspjūvio pusė yra tempiama, o kita – gniuždoma. Tarp jų yra neutrali ašis , kur, remiantis klasikinės sijos teorijos prielaidomis, išilginis normalusis įtempis dėl lenkimo yra lygus nuliui. Lenkimas, be kita ko, turi įtakos:

sijos,
velenai ir ašys,
lakštinio metalo,
profilis,
spyruoklės, pagamintos, be kita ko, iš anglies spyruoklinis plienas i legiruoti spyruokliniai plienai,
plieninių konstrukcijų elementai,
mašinų dalys,
įrankiai.

Lenkimo momentas M

Pagrindinis dydis, apibūdinantis lenkimo apkrovą, yra lenkimo momentas M. Momentas sukuriamas veikiant jėgai tam tikru atstumu nuo nagrinėjamo skerspjūvio. Paprastu atveju: M = F × l , kur:

M – lenkimo momentas,
F - jėga,
l – jėgos ranka.

Sukimo momento vienetas gali būti, pavyzdžiui, Nm arba Nmm.

Lenkimo įtempis

Linijinio elastingumo diapazone klasikinė sijos lenkimo teorija leidžia nustatyti įprastą įtempį skerspjūvyje pagal formulę: σ = M × y / I , kur:

σ – įprastas lenkimo įtempis,
M – lenkimo momentas,
y – analizuojamo taško atstumas nuo neutraliosios ašies,
I – skerspjūvio geometrinis inercijos momentas lenkimo ašies atžvilgiu.

Didžiausia absoliutinė įtempio vertė atsiranda skerspjūvio pluoštuose, kurie yra toliausiai nuo neutraliosios ašies.

Sekcinio stiprumo modulis W

Kraštutiniam pluoštui sąryšį galima užrašyti patogesne forma: σ _max = M / W , kur: W = I / y _max . W yra skerspjūvio lenkimo stipris . Tai yra geometrinė skerspjūvio savybė, o ne medžiagos savybė. Todėl du elementai, pagaminti iš tos pačios medžiagos, gali atlaikyti labai skirtingus lenkimo momentus, jei jie turi skirtingas skerspjūvio formas ir matmenis.

Lenkimo įtempio pavyzdys

Jei lenkimo momentas yra M = 1 000 000 N·mm , o pjūvio modulis W = 10 000 mm³ , tai didžiausias vardinis lenkimo įtempis yra: σ = M/W = 1 000 000/10 000 = 100 MPa . Pavyzdyje parodyta, kad lenkimo įtempis priklauso ir nuo apkrovos, ir nuo skerspjūvio geometrijos.

Tempimas ir suspaudimas lenkimo metu

Grynojo lenkimo atveju viena skerspjūvio dalis yra tempiama, o kita – gniuždoma. Klasikiniame tiesiškai elastingos sijos modelyje įtempis kinta tiesiškai priklausomai nuo skerspjūvio aukščio:

viename paviršiuje jis pasiekia maksimalų tempimą,
neutralioje ašyje lygus nuliui,
priešingame paviršiuje jis pasiekia savo gniuždymo maksimumą.

Būtent įtempimo ir suspaudimo vienu metu atsiradimas skiria lenkimą nuo paprasto vienaašio įtempimo ar suspaudimo.

Kas yra lenkimo stipris?

Lenkimo stipris yra įtempis, nustatomas taikant apkrovą bandiniui atliekant lenkimo bandymą pagal nustatytą procedūrą. Trapių medžiagų atveju jis gali atitikti vardinį įtempį bandinio lūžio metu. Kaliųjų medžiagų atveju situacija yra sudėtingesnė, nes medžiaga gali pasiekti plastinę būseną ir patirti didelę deformaciją nesulūždama. Todėl terminas „lenkimo stipris“ visada turėtų būti aiškinamas kartu su bandymo metodu ir kriterijumi, naudojamu rezultatui nustatyti.

Kodėl kaliesiems metalams būdingas lenkimo stipris yra problemiškas?

Kai kalusis plienas yra sulenktas, jis gali:

pirmiausia elastingai deformuojasi,
pasiekti plastifikacijos pradžią kraštutiniuose pluoštuose,
patiria vis didesnę plastinę deformaciją,
sukurti plastinę jungtį,
nesulūžta net ir esant labai dideliam lenkimo kampui.

Tokiais atvejais ne visada yra aiškus taškas, atitinkantis klasikinį ribinį stiprumą. Todėl metalų atveju lenkimo bandymas , takumo riba arba plastinių momentų analizė dažnai yra svarbesni nei pati „lenkimo stiprio“ vertė.

Lenkimo stipris

Didėjant momentui, didžiausi įtempiai iš pradžių atsiranda kraštinėse skerspjūvio skaidulose. Kai vietinis įtempis pasiekia medžiagos takumo ribą , šiose vietose prasideda liekamoji deformacija. Toliau didėjant momentui, plastifikuota sritis gali palaipsniui plėstis neutraliosios ašies link. Tai reiškia, kad viso elemento plastifikacijos pradžia nevyksta vienu metu per visą skerspjūvį.

Tamprumo momentas ir plastiškumo momentas

Kalbant apie skerspjūvį, galima išskirti, be kita ko:

momentas, atitinkantis plastifikacijos pradžią ekstremalūs pluoštai,
plastikinis momentas susijęs su viso skerspjūvio plastifikacija idealizuotame elastingos-idealiu atveju plastiškos medžiagos modelyje.

Plastiškasis momentas priklauso nuo medžiagos takumo ribos ir skerspjūvio geometrijos. Skerspjūvio gebėjimas atsispirti momentams po to, kai prasidėjo vietinis takumas, naudojamas, be kita ko, konstrukcijų plastinėje analizėje.

Youngo modulis ir lenkimas

Youngo modulis E apibūdina medžiagos standumą tiesinio tamprumo diapazone. Kuo didesnis E, tuo mažesnė medžiagos elastinė deformacija esant tam tikram įtempio lygiui. Tačiau tai nereiškia, kad medžiaga su didesniu E automatiškai turi didesnį lenkimo stiprumą. E apibūdina standumą, o ne stiprumą.

Lenkimo standumas EI

Sijos atveju ypač svarbi sandauga EI , kur:

E - Medžiagos Youngo modulis,
I – skerspjūvio geometrinis inercijos momentas.

EI sandauga lemia elemento lenkiamąjį standumą . Tai reiškia, kad deformacija priklauso ir nuo medžiagos, ir nuo skerspjūvio geometrijos.

Kodėl skerspjūvio geometrija yra tokia svarbi?

Inercijos momentas I labai priklauso nuo medžiagos padėties neutraliosios ašies atžvilgiu. Medžiaga, esanti toli nuo neutraliosios ašies, labai efektyviai padidina skerspjūvio standumą ir atsparumą lenkimui. Todėl konstrukcijose, be kita ko, naudojami:

I formos sijos,
kanalų sekcijos,
uždari profiliai,
vamzdžiai,
dėžių profiliai.

Tinkamas medžiagų išdėstymas leidžia pasiekti didelį lenkimo standumą neproporcingai nedidinant elemento masės.

Stačiakampio skerspjūvio inercijos momentas

Stačiakampio skerspjūvio, kurio plotis b ir aukštis h, lenkimo aplink ašį, einančią per skerspjūvio centrą, lygiagrečią pločiui: I = b × h³ / 12. Stiprumo modulis yra: W = b × h² / 6. Tai rodo, kad padidinus skerspjūvio aukštį, labai padidėja jo atsparumas lenkimui.

Apskritimo skerspjūvio inercijos momentas

Pilno apskritimo skerspjūvio, kurio skersmuo d: I = πd⁴ / 64 , o stiprumo modulis: W = πd³ / 32. Šie ryšiai, be kita ko, yra svarbūs analizuojant velenus ir ašis, veikiamas lenkimo apkrovų.

Metalo lenkimo bandymas

Lenkimo bandymas gali būti naudojamas tiek mechaninėms savybėms nustatyti , tiek technologiškai įvertinti medžiagos gebėjimą deformuotis nesutrūkinėjus. Priklausomai nuo metodo, bandinys apkraunamas konkrečia atrama ir jėgos sistema. Bandymai apima:

trijų taškų lenkimas,
keturių taškų lenkimas,
technologiniai lenkimo iki tam tikro kampo bandymai.

Trijų taškų lenkimas

Trijų taškų lenkimo bandyme bandinys remiasi į dvi atramas, o jėga veikia tarp jų, paprastai per tarpatramio vidurį. Didžiausias lenkimo momentas atsiranda centrinės jėgos srityje. Ši konfigūracija yra paprasta ir plačiai naudojama bandant įvairias medžiagas.

Keturių taškų lenkimas

Atliekant keturių taškų lenkimo bandymą, bandinys remiasi į dvi atramas, o apkrova veikiama dviejuose taškuose. Tarp jėgos taikymo taškų gali būti sritis su pastoviu lenkimo momentu ir – idealiu atveju – be šlyties jėgos. Tai padidina didelių momentų veikiamos srities ilgį, palyginti su klasikiniu trijų taškų lenkimu.

Trijų taškų ir keturių taškų lenkimas

Charakteristika	Trijų taškų lenkimas	Keturių taškų lenkimas
Atraminių taškų skaičius	2	2
Apkrovos taikymo taškų skaičius	1	2
Maksimalus sukimo momentas	Tam tikrame skerspjūvyje, veikiant jėgai	Tai gali įvykti pjūvyje tarp jėgų
Didelio sukimo momento sritis	Daugiau vietinių	Didesnis mėginio plotas

Technologinis lenkimo bandymas

Metalams lenkimo procesas yra labai svarbus . Jo tikslas nebūtinai yra nustatyti vieną stiprumo vertę. Jis gali būti naudojamas norint patikrinti, ar bandinį galima sulenkti tam tikru kampu arba aplink tam tikro skersmens įtvarą be nepriimtino įtrūkimo. Toks bandymas gali būti naudojamas įvertinti:

baltas,
strypai,
metalurgijos gaminiai,
suvirintos jungtys,
medžiagos po technologinio apdorojimo.

Lenkimo spindulys ir medžiagos deformacija

Kuo mažesnis lenkimo spindulys, tuo didesnė deformacija išoriniuose medžiagos sluoksniuose. Per mažas spindulys gali sukelti:

vietinis susiaurėjimas,
įtrūkimų susidarymas,
paviršiaus pažeidimai,
medžiagos įtrūkimas lenkimo išorėje.

Minimalus leistinas lenkimo spindulys, be kita ko, priklauso nuo medžiagos rūšies, jos būklės, storio, valcavimo krypties ir lenkimo technologijos.

Valcavimo kryptis ir lakšto lenkimas

Valcuoti lakštai gali pasižymėti anizotropija . Todėl medžiagos lenkiamumas gali priklausyti nuo lenkimo linijos orientacijos valcavimo krypties atžvilgiu. Reikalavimai dėl mėginių ėmimo ir lenkimo krypties turėtų būti nustatyti atitinkamame medžiagos standarte arba gaminio specifikacijoje.

Atšokimas po lenkimo

Kai jėga pašalinama, dalis elastinės deformacijos išnyksta, todėl elementas iš dalies grįžta į pradinę formą. Šis reiškinys vadinamas atgaliniu spyruokliavimu . Jis yra labai svarbus technologinio lakštinio metalo ir profilių lenkimo metu. Atatrankos dydžiui įtakos turi, be kitų veiksnių:

Youngo modulis E,
takumo riba,
medžiagos storis,
lenkimo spindulys,
įrankių geometrija,
medžiagos sukietėjimo laipsnis.

Deformacijos grūdinimo įtaka

Plastinio lenkimo metu medžiaga gali sukietėti deformacijos būdu . Labiausiai deformuotose vietose padidėja dislokacijų tankis ir pasikeičia vietinės mechaninės savybės . Šis reiškinys ypač svarbus šaltojo lenkimo metu.

Lenkimas ir Rm

Tempimo stipris Rm nėra lenkimo stipris. Rm apibrėžia didžiausią inžinerinį įtempį, pasiektą atliekant statinį tempimo bandymą . Lenkimo metu susidaro įtempių gradientas – tik dalis skerspjūvio yra ties didžiausia įtempio verte. Todėl lenkimo bandymo rezultatų nereikėtų tiesiogiai tapatinti su Rm.

Lenkimas ir Re bei Rp0,2

Takumo riba Re arba Rp0,2 yra svarbi analizuojant lenkiamojo elemento liekamosios deformacijos pradžią. Paprastame tamprumo modelyje takumo pradžia atsiranda, kai labiausiai apkrauto pluošto įtempis pasiekia lygį, atitinkantį medžiagos takumo ribą. Tolesnis momento padidėjimas sukelia plastinių zonų atsiradimą skerspjūvyje.

Lenkimas ir kietumas

Kietumas ir lenkimo elgsena yra skirtingos medžiagos savybės. Nėra vieno, universalaus ryšio, kuris leistų tiesiogiai konvertuoti HBW , HV arba HRC į lenkimo stiprumą. Didelio kietumo medžiaga gali vienu metu pasižymėti ribotu plastiniu lenkimo pajėgumu ir didesniu jautrumu lūžiams, priklausomai nuo mikrostruktūros ir apkrovos sąlygų.

Lenkimo ir smūgio stiprumas

Lenkimo bandymas ir Šarpio smūginis bandymas nėra tas pats bandymas. Šarpio bandymo metu dinamiškai smūgiuojamas į įpjautą bandinį ir matuojama lūžio metu sugeriama energija. Lenkimo bandymas atliekamas pagal kitokią procedūrą ir gali būti naudojamas medžiagos mechaninėms savybėms arba technologiniam gebėjimui lenktis nesulūžus nustatyti.

Lenkimas ir medžiagų nuovargis

Jei lenkimo momentas laikui bėgant kinta pakartotinai, gali atsirasti lenkimo nuovargis . Tai ypač svarbu:

besisukantys velenai,
kirviai,
spyruoklės,
pakabos elementai,
Mašinų dalys, veikiamos ciklinių apkrovų.

Nuovargio įtrūkimai dažnai prasideda paviršiuje, kur lenkimo įtempiai yra didžiausi.

Sukamasis lenkimas

Klasikinis nuovargio apkrovos atvejis yra sukamasis lenkimas . Jei velenas veikiamas pastovaus lenkimo momento ir tuo pačiu metu sukasi, tam tikras jo paviršiaus taškas cikliškai pereina įtempimo ir suspaudimo sritį. Tai sukuria ciklinį įtempį, kuris gali sukelti nuovargio lūžį net tada, kai įtempis yra daug mažesnis nei Rm.

Įpjovos ir lenkimas

Skylės, grioveliai, sriegiai, staigūs skerspjūvio pokyčiai ir kiti netolygumai sukelia įtempių koncentracijas . Tai ypač svarbu lenkiant, nes didžiausi vardiniai įtempiai atsiranda komponento paviršiuje. Tokioje vietoje esanti įpjova gali žymiai padidinti vietinį įtempį ir palengvinti įtrūkimo atsiradimą.

Paviršiaus būklė ir nuovargio lenkimas

Paviršiaus kokybė yra labai svarbi ciklinio lenkimo metu. Įbrėžimai, apdirbimo žymės, korozija , įdubimai ir kiti paviršiaus defektai gali veikti kaip vietiniai įtempių koncentratoriai ir sumažinti komponento nuovargio tarnavimo laiką . Todėl paviršiaus būklė yra ypač svarbi velenams, spyruoklėms ir kitiems komponentams, kurie yra pakartotinai lenkiami.

Temperatūros poveikis lenkimui

Temperatūra turi įtakos medžiagos savybėms, atsakingoms už jos lenkimo elgseną. Temperatūros pokyčiai, be kita ko, gali turėti įtakos:

takumo riba,
Youngo modulis,
plastiškumas,
atsparumas įtrūkimams.

Todėl medžiagos gebėjimas saugiai lenktis kambario temperatūroje gali skirtis esant labai žemai ar aukštai temperatūrai.

Terminio apdorojimo poveikis

Terminis apdorojimas gali smarkiai paveikti medžiagos lenkimo elgseną. Grūdinimas gali padidinti kietumą ir stiprumą, bet taip pat apriboti gebėjimą atlikti dideles plastines deformacijas. Grūdinimas , atkaitinimas ar kiti procesai gali pakeisti stiprumo, kietumo ir tąsumo santykį. Poveikis priklauso nuo medžiagos rūšies ir apdorojimo parametrų.

Trapių medžiagų lenkimas

Trapioms medžiagoms lenkimo bandymas yra ypač svarbus, nes bandinys gali lūžti be reikšmingos plastinės deformacijos. Tokiose medžiagose lenkimo stiprumą galima nustatyti pagal apkrovą, kuri sukelia bandinio lūžį. Dėl šios priežasties lenkimo bandymas taip pat plačiai naudojamas medžiagoms, kurioms sunku atlikti klasikinį tempimo bandymą .

Kaliojo metalo medžiagų lenkimas

Kaliosios medžiagos prieš lūžį gali pasiekti didelius lenkimo kampus. Tokių medžiagų bandymas pirmiausia gali būti naudojamas įvertinti:

gebėjimas atlikti plastinę deformaciją,
medžiagos kokybė,
defektų buvimas,
suvirinto sujungimo kokybė,
tinkamumas tolesniam technologiniam apdorojimui.

Suvirintų jungčių lenkimo bandymas

Lenkimas taip pat naudojamas suvirintų jungčių savybėms įvertinti. Suvirinimo siūlę turintis mėginys gali būti sulenktas taip, kad tam tikra jungties dalis būtų veikiama tempimo. Šis bandymas atskleidžia tam tikrus defektus ir įvertina jungties gebėjimą deformuotis be nepriimtino įtrūkimo. Tikslus mėginio paruošimo metodas, lenkimo kryptis ir vertinimo kriterijai yra nustatyti pagal atitinkamą standartą arba specifikaciją.

Metalo lenkimo bandymų standartai

Vienas iš pagrindinių metalinių medžiagų technologinių lenkimo bandymų standartų yra ISO 7438 – Metalinės medžiagos . Lenkimo bandymas. Suvirintoms jungtims naudojami atskiri standartai suvirinimo siūlių ir jungčių medžiagų lenkimo bandymams. Atitinkamame standarte, be kita ko, nurodoma:

pavyzdžio geometrija,
kaip jis yra palaikomas,
įtvaro skersmuo arba lenkimo sąlygos,
lenkimo kampas,
tyrimo atlikimo metodas,
imties vertinimo principai.

Reikėtų skirti technologinius lenkimo bandymus ir bandymus, naudojamus mechaninėms savybėms lenkimo metu kiekybiškai nustatyti.

Kas lemia metalo elgseną lenkimo metu?

Medžiagos ir elemento elgsenai įtakos turi, be kita ko:

takumo riba,
medžiagos stiprumas,
Youngo modulis,
plastiškumas,
mikrostruktūra,
terminis apdorojimas,
paviršiaus būklė,
temperatūra,
riedėjimo kryptis,
lenkimo spindulys,
skerspjūvio geometrija,
įpjovos ir kiti įtempių koncentratoriai,
apkrovos tipas ir taikymo būdas.

Elemento medžiagos stiprumas ir lenkimo galia

Medžiagos stiprumas ir viso elemento laikomoji galia nėra tas pats. Tiek medžiagos savybės, tiek skerspjūvio geometrija turi įtakos elemento laikomajai galiai. Todėl du iš to paties plieno pagaminti elementai gali turėti visiškai skirtingą lenkimo atsparumą, jei jie skiriasi aukščiu, pločiu arba skerspjūvio forma. Panašiai du identiškos geometrijos elementai gali turėti skirtingą laikomąją galią, jei jie pagaminti iš medžiagų, turinčių skirtingą takumo ribą.

Ar didesnis lenkimo stipris visada reiškia geresnę medžiagą?

Ne. Tinkama medžiaga turėtų būti parinkta konkrečiam atvejui. Be atsparumo lenkimo apkrovai, gali būti svarbūs šie veiksniai:

sustingimas,
plastiškumas,
nuovargio stiprumas,
atsparumas įtrūkimams,
smūgio stiprumas,
kietumas,
suvirinamumas,
atsparumas korozijai,
elemento masė.

Medžiaga, pasižyminti labai dideliu takumo stipriu, gali būti naudinga vienoje srityje, bet netinkama kitoje, kur reikalingas didelis deformacijos pajėgumas arba didelis atsparumas lūžiams.

Lenkimo stipris – svarbiausia informacija

Lenkimo metu viena skerspjūvio dalis ištempiama, o kita suspaudžiama.
Tarp jų yra neutrali ašis.
Linijinio elastingumo diapazone įtempį galima nustatyti pagal formulę σ = My/I.
Ekstremaliam pluoštui galioja toks ryšys σ_daugiausia = M/W.
W yra geometrinis skerspjūvio stiprumo rodiklis, o ne medžiagos savybė.
EI nustato elemento lenkimo standumą.
Youngo modulis apibūdina standumą, o ne lenkimo stiprumą.
Kaliojo metalo atveju, pradėjus takumo svyravimus, mėginys gali toliau atlaikyti apkrovą ir gerokai deformuotis.
Technologinis lenkimo bandymas dažnai naudojamas medžiagos gebėjimui deformuotis be nepriimtino įtrūkimo įvertinti.
Trijų ir keturių taškų bandymai duoda skirtingus lenkimo momentų pasiskirstymus.
Skerspjūvio geometrija daro didelę įtaką elemento laikomajai galiai ir standumui.
Mažas lenkimo spindulys padidina išorinių medžiagos sluoksnių deformaciją.
Nuovargio gedimas gali atsirasti ciklinio lenkimo metu.
Įpjovos ir paviršiaus defektai yra ypač svarbūs, nes paviršiuje atsiranda didžiausi lenkimo įtempiai.
Lenkimo stipris, Rm, Rp0,2 ir kietumas nėra keičiami parametrai.