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脆性材料弹性模量测试方法调研
时间:2021-09-10 17:20:02 点击次数:

1 弹性模量的定义

材料在其弹性限度内受外力作用产生变形,当外力除去后,仍能恢复到原来的形状,此时应力和应变的比例称为弹性模量。它表示材料抵抗变形的能力,关系式为:

E=σ·L/△L

弹性模量是材料的一个重要弹性参数,也是原子间结合强度的一种指标,因此在很大程度上反映着材料的结构特征。

弹性模量包括杨氏模量(E)和切变模量(G),是表征固体材料弹性性质的重要力学参数,反映了固体材料抵抗外力产生形变的能力。弹性模量也是进行热应力计算、防热与隔热层计算、选用机械构件材料的主要依据之一。因此,准确测量弹性模量对理论研究和工程技术都具有重要意义。

2 弹性模量的分类

弹性模量还可分为动力学弹性模量(在因振动或超声波引起的不大的荷重条件下测定的)静力学弹性模量(在固定荷重作用下受弯曲时测定的)。动力学模量有时比静力学模量大一倍,因为在短时间内受到不大的动力荷重时不发生残余变形,材料显示出弹性。

陶瓷的弹性可以用两个模数来表示:切线模数E=tga及切变模数V=tgβ也称为变形模数。变形模数没有物理意义,它取决于实验条件,但是E/V比值可用作衡量结构均匀性的指标。当limE/V=1时,结构为均匀的。模数E和V越小,陶瓷在破坏前的变形越大,同时使用时损坏的可能性越小。

在常温下,陶瓷的特点是脆性破坏,一般在发生不大的可逆变形(弹性)及不大的塑性变形时便开始出现破坏现象。

3 弹性模量的测试方法

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。

3.1 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。

3.1.1 弯曲法

弯曲法测定静弹性模量是指以较低的位移速率在弯曲试样上施加载荷,通过应力应变的关系测量的弹性模量。弯曲法测量有三点弯曲法、四点弯曲法两种方法。

弯曲法对装置试验机、应变测量仪、位移测量装置、量具和试样作了规定。

采用应变材料装置测量试验时,在三点弯曲时应变片的长度不得大于1mm,四点弯曲时不得大于5mm,应变片粘于试样跨距中央,记录加荷过程负荷与应变的变化值。采用位移测量装置测试试样跨中挠度或加荷点位移时,需预先与试样相同的材料或弹性模量高于试样的材料制成修正试样。修正试样的长和宽与试样一致,厚度应不小于试样的4.6倍。

使用应变片法,三点弯曲方式测弹性模量时:使用应变片或测跨中挠度和加荷点位移时,弹性模量公式:

     or      

式中:ε2、ε1分别为应变片的应变量;试样跨中实际挠度,mm。

3.1.2 电阻应变法

电阻应变法是指用电阻应变片测定零部件或结构指定部位的表面应变,再根据应力应变关系式,确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。

 电阻应变法测量应变需要的仪器包括应变计和应变仪。其中应变计属于传感器,应变仪属于放大、测量、显示器。

实验时,将电阻应变片(简称应变片)固定在被测构件上,当构件变形时,当应变计的电阻丝随试件发生应变时,由于电阻丝长度和截面积的变化,导致电阻丝的阻值发生相应的变化。通过电阻应变仪,可以将应变片中的阻值变化测量出来并以正比于应变值的模拟电信号输出,最后就可以用记录仪记录。

电阻应变法测量可以用式(1-1)表示:

            (1-1)

式中 ε——应变仪测得的应变值;

dR/R——应变片阻值随构件变形而发生的相对变化;

k——比例系数(灵敏系数)。

若被测部位在弹性范围内工作,对测得的应变值,可以采用虎克定律换算得到对应的应力值。

3.2 动态法

动态法包括共振法(敲击法)、超声法。

*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准确易得,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*广,可从液氮温度至3000℃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,也是国家标准(GB/T2105-91)推荐使用的测量杨氏弹性模量的一种方法。

3.2.1 共振法

3.2.1.1 共振法的定义及原理

共振法是以一个连续可变的振动波,激发试样,测定试样在纵向或弯曲振动时,本身固有的共振频率,如用一定的外力,敲击试样,产生各种频率的振动,其中以基频振动具有*大能量。根据能量与振幅的平方成正比的关系,显然,在自由阻尼运动中,只有基频振动的振幅衰减时间*长。利用这一特点,在敲击法弹性测试中,对仪器设计了自动延时线路,待各高次振动的振


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