金属力学性能检测中弯曲试验的试样制备要求及注意事项

弯曲试验是金属力学性能检测中评估材料塑性、韧性及抗弯曲能力的关键方法，其结果直接反映材料在弯曲载荷下的变形与断裂特性。而试样制备作为试验的前置环节，其尺寸精度、表面质量、加工工艺等因素会直接影响试验数据的准确性与可靠性。本文围绕金属弯曲试验的试样制备要求及注意事项展开，结合GB/T 232-2010、ASTM E290等现行标准与实际操作经验，详细解析制备过程中的关键要点，为试验人员提供可落地的操作指引。

试样的尺寸与形状设计

金属弯曲试验的试样尺寸与形状需严格遵循对应标准要求，常见的试样类型包括矩形截面与圆形截面。以GB/T 232-2010为例，矩形试样的厚度a（或圆形试样直径d）需根据材料厚度确定：当材料厚度≤30mm时，矩形试样厚度a应等于材料原始厚度，宽度b取2a或10mm（取较小值）；圆形试样直径d通常为5mm、10mm或与材料原始直径一致。试样长度L需满足“支座间距离+两端夹持长度”的要求，一般为L=5a+150mm（矩形）或L=5d+150mm（圆形），确保试验时试样有足够的变形空间。

支座间距离（跨度S）是尺寸设计的关键参数，标准规定S=10a（矩形）或S=10d（圆形），偏差需控制在±2%以内。若跨度过大，会导致试样弯曲变形量不足；若跨度过小，则会增大弯曲应力，易造成试样提前断裂。此外，试样的尺寸偏差需严格控制：厚度/直径的允许偏差为±0.1mm，宽度允许偏差为±0.2mm，长度偏差为±5mm，避免因尺寸不均导致应力分布失衡。

对于异形材料（如管材、型材），需根据标准要求加工成标准截面试样。例如，管材试样需切割成矩形条，保留原始壁厚作为试样厚度，宽度取10mm；型材试样需去除棱角，加工成矩形或圆形截面，确保试验时受力均匀。

试样的机械加工要求

试样的机械加工需优先选择冷加工方式（如车削、铣削、磨削），避免使用气割、电弧切割等热加工方法——热加工会产生热影响区，改变材料的显微组织与力学性能，导致试验结果偏差。加工时需选择合适的刀具：加工钢件宜用高速钢或硬质合金刀具，加工铝合金宜用钨钴类硬质合金刀具，确保切削过程稳定。

切削参数的控制是避免加工硬化的关键。以钢件为例，切削速度应控制在100-150m/min，进给量为0.1-0.3mm/r，背吃刀量（切削深度）为0.2-0.5mm。若切削速度过快，会导致刀具磨损加剧，同时产生大量切削热，使试样表面过热硬化；若进给量过大，则会在试样表面留下深切削痕，影响表面质量。

加工后的试样需保证平整，无翘曲或扭曲。可将试样放在平板上用塞尺检查，翘曲度应≤0.1mm/100mm。若出现翘曲，需通过冷校直（如压力机校直）或重新加工修正，但校直时需避免试样产生塑性变形，否则会影响试验结果。

加工余量的控制也很重要：粗加工时需保留0.5-1mm的余量，精加工时逐步去除，确保最终试样尺寸符合要求。避免一次性加工到位，防止因刀具受力过大导致试样变形。

试样的表面质量控制

试样的表面质量直接影响弯曲试验的结果——粗糙表面或表面缺陷会形成应力集中源，导致试样在低于真实极限应力时断裂。标准要求试样表面粗糙度Ra≤1.6μm，需通过精加工（如磨削、抛光）达到该要求。

表面缺陷的检查与处理是关键环节。加工前需去除材料表面的氧化皮、锈蚀或油污：氧化皮可用酸洗（如10%盐酸溶液）或机械打磨去除，锈蚀可用砂纸（180#-320#）打磨，油污可用丙酮或酒精擦拭。加工过程中需避免产生划痕、裂纹或凹坑，若发现此类缺陷，需用细砂纸（400#-600#）沿轧制方向打磨去除，严禁沿圆周方向打磨（会产生新的应力集中）。

毛刺的处理不可忽视。加工后的试样边缘易产生毛刺，需用锉刀（细齿）或砂轮机（细砂轮）修磨，确保边缘光滑。毛刺会导致试样夹持时受力不均，甚至在试验过程中划伤试验机夹具，影响试验稳定性。

表面质量的检查可通过两种方式：一是用粗糙度仪测量Ra值，二是用肉眼或放大镜（10倍）观察表面是否有明显缺陷。对于重要试样，还需进行金相检验，确认表面无脱碳、裂纹等内部缺陷。

试样的取向与纹理要求

金属材料（尤其是轧材、锻材）具有明显的各向异性，试样的取向（试验方向与材料加工方向的关系）会显著影响弯曲性能。因此，试样的取向需严格按照试验要求确定，并清晰标识。

对于轧材，常见的取向有两种：纵向（试验方向与轧制方向平行）和横向（试验方向与轧制方向垂直）。纵向试样的塑性更好，弯曲角度更大；横向试样的塑性较差，易在弯曲过程中断裂。标准要求试样需标注取向，例如在非试验段用钢印打“L”（纵向）或“T”（横向）。

对于锻造材料，试样需沿锻造流线方向截取，避免垂直于流线——锻造流线是金属晶粒沿锻造方向排列形成的，垂直于流线的试样易在弯曲时沿流线开裂。对于铸造材料，试样需取自冒口对面的部位（即铸件的致密区），避免取自疏松、夹杂物集中的冒口或浇道部位。

试样的纹理方向需与弯曲轴线垂直。例如，矩形试样的轧制方向需与弯曲轴线垂直，确保弯曲时材料的变形沿纹理方向展开，避免因纹理方向错误导致试样提前断裂。

试样的热处理状态保证

若试验要求试样处于特定热处理状态（如调质、退火、正火），需在制备过程中保证热处理的均匀性与一致性。热处理前需将试样清洗干净，去除表面油污与锈蚀，避免热处理时产生氧化皮或渗碳。

加热温度与保温时间需严格遵循热处理工艺：例如，45钢调质处理的加热温度为840℃±10℃，保温时间为1.5-2小时（按试样厚度每25mm保温1小时计算）；退火处理的加热温度为720℃±10℃，保温时间为2-3小时。冷却速度需控制：调质处理需油冷（冷却速度约20℃/s），退火处理需随炉冷却（冷却速度约5℃/s），避免因冷却速度过快导致试样开裂或硬度不均。

脱碳层的控制是热处理后的关键检查项目。脱碳会导致试样表面硬度与强度降低，弯曲时表面易产生微裂纹，影响试验结果。标准要求脱碳层深度≤试样厚度的1%（或直径的1%）。检查脱碳层的方法是：取试样横截面，用金相显微镜观察，测量脱碳层厚度（从表面到完全珠光体组织的距离）。若脱碳层超标，需通过打磨或车削去除，但需保证试样尺寸符合要求。

热处理后的试样需进行硬度检测，确保硬度值符合工艺要求。例如，45钢调质后的硬度应为220-250HBW，若硬度偏差超过±10HBW，需重新进行热处理。

试样的标识与编号规范

试样的标识与编号是保证试验可追溯性的关键。标识需清晰、唯一，且不能影响试样的试验区域（即弯曲变形区）。

标识的位置需选择在试样的非试验段（如两端的夹持部位），严禁在弯曲变形区（中间1/3长度范围内）标识。标识方式可采用钢印或耐擦标记笔：钢印的深度需≤0.1mm，避免破坏试样表面完整性；标记笔需选用耐油、耐擦的型号（如工业记号笔），避免试验过程中标识脱落。

编号需包含足够的信息，例如：材料牌号、批次号、试样取向、热处理状态等。例如，编号“45-202405-L-QT”表示：45钢、2024年5月批次、纵向试样、调质处理。编号需与试验计划、原始记录、试验报告一致，避免混淆。

对于批量试样，需采用分类存放的方式：将同一批次、同一取向、同一热处理状态的试样放在一起，并用标签标注，避免混放导致试验错误。

试样制备的常见注意事项

边缘倒圆是容易被忽视的细节。矩形试样的棱角需倒圆，倒圆半径r=0.5-2mm（根据试样厚度确定：厚度≤10mm时，r=0.5-1mm；厚度>10mm时，r=1-2mm）。尖锐的棱角会导致应力集中，使试样在弯曲时首先从棱角处开裂。倒圆可通过车削或砂轮机修磨实现，确保边缘光滑无毛刺。

试样的清洁需贯穿制备全过程。加工前需清洁材料表面，去除氧化皮与油污；加工后需用丙酮或酒精擦拭，去除切削液与金属屑；试验前需再次检查，确保表面无灰尘或锈蚀。油污会导致试样夹持时打滑，影响试验力的传递；锈蚀会降低试样表面强度，导致试验结果偏低。

试样的存放需注意环境：需放在干燥、无腐蚀的货架上，避免与水、酸、碱等腐蚀性物质接触。对于易生锈的材料（如碳钢），需在表面涂抹防锈油，或用塑料膜包裹存放。存放时间不宜过长（一般不超过1个月），避免材料表面产生氧化或锈蚀。

加工后的最终检查不可或缺。需用卡尺（精度0.02mm）测量试样的尺寸，确认符合标准要求；用粗糙度仪测量表面粗糙度，确认Ra≤1.6μm；用放大镜观察表面，确认无划痕、裂纹或毛刺；用硬度计测量表面硬度，确认无加工硬化（表面硬度与基体硬度偏差≤10%）。若发现不符合要求的试样，需重新加工或报废，严禁用于试验。