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如何测量材料的弹性模量和泊松比

[ 发布日期:2018-03-12 点击:393 来源:中国船舶重工集团公司第725研究所检测服务平台 【打印此文】 【关闭窗口】]

1  国外标准概括

国内外耐火行业弹性模量测试方法有DIN EN ISO 12680-1、ASTM C 885、ASTM C 1548-2、ASTM C 1419。标准中制定的均为耐火材料常温测试方法,还没对其高温弹性模量测试方法做具体说明。

目前国际上已经制定的弹性模量标准均采用动态法。据有关方透露,静态法测试杨氏模量标准也在准备中。

1.1 动态法

动态法测试主要分为脉冲激振法、声频共振法、声速法。

脉冲激振法:结构原理见图1。通过合适的外力给定试样脉冲激振信号,当激振信号中的某一频率与试样的固有频率相一致时,产生共振,此时振幅,延时最长,这个波通过测试探针或测量话筒的传递转换成电讯号送入仪器,测出试样的固有频率,由公式   计算得出杨氏模量E。

 

1 弹性模量测试结构原理图(脉冲激振法)

特点:--- 国际通用的一种常温测试方法,如ISO 12680-1、ASTM C 1548;

   --- 信号激发、接收结构简单,测试测试准确;

--- 信号激发、接收均采用非接触式,便于实现高温测试;

--- 频谱分析得试样固有频率,准确、直观。

声频共振法:结构原理见图2。指有声频发生器发送声频电信号,由换能器转换为振动信号驱动试样,再由换能器接收并转换为电信号,分析此信号与发生器信号在示波器上形成的图形,得出试样的固有频率f,由公式 E=C1•w•f2   得出试样的杨氏模量。      

 

2 弹性模量测试结构原理图(声频共振法)

特点: ---  采用标准ASTM C 885 Standard Test Method for Young’s Modulus of Refractory Shapes by Sonic Resonance

---  声频发生器、放大器等组成激发器;

---  换能器接收信号,示波器显示信号;

---  李萨如图形判断试样固有频率。

缺点: ---  激发器结构复杂,必要时激发器需要与试样表面耦合,操作不方便;

  ---  示波器数据处理及显示单一;

---  可能存在多个李萨如图形,易误判;

---  该方法不方便用于高温测试。

声速法:其结构原理见图3、4。由信号发生器给出超声信号,测试信号在试样中的传播时间,得出该信号在试样中的传播速度ν,由公式E=ρ•ν2计算得试样杨氏模量。

  

3 声速法测试结构原理图              图4 声速测定原理图

特点: ---  采用标准ASTM C 1419 Standard Test Method for Sonic Velocity in Refractory Materials at Room Temperature And Its Use In Obtaining an Approximate Young’s Modulus;

---  超声波发生器及换能器组成激发系统;

---  换能器转换信号;

---  测试超声波在试样两平行面的传播时间差,计算声速。

缺点: ---  激发器结构复杂,必要时激发器需要与试样表面耦合,操作不方便;

---  时间差的信号处理点容易引入误差,只能得出近似杨氏模量;

---  该方法不方便用于高温测试。

1.2 静态法

静态法是指在试样上施加一恒定的弯曲应力,测定其弹性弯曲挠度,或是在试样上施加一恒定的拉伸(或压缩)应力,测定其弹性变形量;或根据应力和应变计算弹性模量。

特点: ---  国内采用的方法,国内外耐火行业目前还没制定相应的标准;

---  获得材料的真实变形量  应力---应变曲线。

缺点:试样用量大;准确度低;不能重复测定。

1.3 小结  

--- 国际上仅制定了常温动态弹性模量测试方法;

--- 脉冲激振法可同时用于常温、高温弹性模量测试,其它标准均不易实现高温条件;

--- 脉冲激振法结构较为简单,测试准确,更适于标准制定;

--- 静态法可用于常温、高温杨氏模量测试,但目前还没有相关标准;

--- 标准中仅简单提示可用于高温情况下的测量,但没有详细说明。