弹性模量的测量是物理学的基本测量之一,属于力学的范围。陶瓷弹性模量的测定方法,一般分为静态法(主要是静载荷法)和动态法(主要是共振法)。国内一般采用静态法或动态法,而国外多采用动态法。
静态法
静态法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;或在试样上施加一恒定的弯曲应力,测定其弹性弯曲挠度,根据应力和应变计算弹性模量。
静态法包括电阻应变法、弯曲挠度法等。通常适用于在大形变及常温下测量金属试样。静态法测量载荷大、加载速度慢并伴有弛豫过程,对脆性材料(如石墨、玻璃、耐火材料等)不适用,也不能在高温状态下测量。
动态法
动态法包括脉冲激振法、声频共振法、超声声速法。
常用的是共振法,共振法包括弯曲(横向)共振法、纵向共振法和扭转共振法,其中弯曲共振法所用设备精确易得,理论同实验吻合度好,且能同步评价材料的抗热震性,适用于各种金属及非金属(脆性)材料的测量,测定的温度范围极广,可从液氮温度至左右。
由于在测量上的优越性,动态法在实际应用中已经被广泛采用,也是标准(GB/T2105-91)推荐使用的测量杨氏弹性模量的一种方法。
(1)脉冲激振法
脉冲激振法(Impulse Excitation Technique)是一种无损检测方法,是通过试样固有频率、尺寸和质量来获取材料杨氏模量、剪切模量、泊松比的一种方法。
脉冲激振法(Impulse Excitation Technique)是指通过合适的外力给定试样某一特定位置一个连续的脉冲激振信号,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,此时振幅较大,延时长,这个波通过测试探针或测量传感器接收该振动信号,有换能器转换为电讯号输送给相应仪器或者计算机,然后通过数据的分析处理获得试样的固有频率,该固有频率依据试样的振动方式不同而获得不同类型的频率,如弯曲频率、扭曲频率等,然后由相关公式计算得出其杨氏模量E、剪切模量G、泊松比及阻尼比等。
脉冲激振法(Impulse Excitation Technique,IET)已被广泛应用于研究与质量控制领域,适用于各种固体材料,如金属、合金、陶瓷、玻璃、耐火材料、石墨等等。IET技术在分辨率,量程和可靠性上超过其它原理的测试方法,是目前世界上公认的先进的非接触测定各种材料弹性模量的一种理想检测方法。
(2)声频共振法
如图3所示,采用木工用压敏型胶粘剂将传感器与试件的两端连接在一起,在试件的一端利用信号发生器给发射探头信号,试件另一端的接收探头接收信号,发射信号和接收信号通过放大后传到示波器,由示波器处理后显示共振峰点的频率,然后计获得杨氏模量E或者剪切模量。
(3)超声声速法
超声法是指给试样一定频率的超声波,测定超声波在试样中纵波的速度,根据相关公式计算出试样弹性模量的一种测试方法。
超声波的测定方法一般如图4所示将信号传感器和信号接收器分别固定在材料试样的两侧,然后从加热面背面的方向依次进行测定。根据装置测量出超声波通过材料试样的时间。然后代入相关参数由下式计算出耐火材料试样的弹性率。