洛阳卓声检测仪器有限公司

1  弹性模量测试方法

弹性模量一般包括杨氏模量、剪切模量及泊松比。杨氏模量也称为弯曲模量。

弹性模量的测试方法分为两种：动态法和静态法。动态法为无损检测，静态法为破坏性检测。

1.1 动态法

动态法测试主要分为脉冲激振法、声频法、声速法、超声法等。

脉冲激振法：

通过外力敲击试样，当振动波与试件本身的固有频率相一致时，振幅，延时长（见图28-1），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，就测出试件的振动周期，换算后可得到E、G值。

该方法的优点是直接使用小锤敲击或者给定一个自动的激振信号，不需要换能器转换，操作简单，测试准确，优于0.5%，采用计算机分析处理，直接获得

材料的杨氏模量、剪切模量、泊松比。

声速法：超声声速测量方法主要有厚度计法、瞬间接触法、脉冲回波法、超

声干涉法和相位比较法。目前市场上多为脉冲回波法，如

即通过不断检测超声波发射后遇到试件界面所反射的回波，测出发射和接受回波的时间差t，然后求出超声波波速。然后采用超声脉冲法通过测量弹性波在固体样品中的传播速度来获得材料弹性常数。弹性波在各向同性的弹性介质中传播时，根据弹性波在固体中的传播理论，不同模式的声波在固体中的传播速度与其弹性模量和密度相关。

传播模式有横波和纵波，传播速度如下式：

V=2L/t

               L ---- 样品的厚度

               E ---- 超声波在样品传播的时间

弹性模量计算公式如下：

 G=ρ·ν_T²                          

E=(4ν_T⁴-3ν_T²*ν_L²)* ρ/(ν_T²-ν_L²)

              G ---- 样品的剪切模量

              E ---- 样品的杨氏模量

ρ---- 试样的密度

              V ---- 通过试样声速（横波V_T或纵波V_L）

速度的测定依据声振动信号在不同界面的反射时间判断。界面的粗糙、声波信号开始计时时间及外界的干扰等都将对声波速度的计算引入不小的误差，所以声速法只能测试试样的弹性模量准确度相对较低。

声频法：指在试样表面给定一个声频电信号，由压电换能器转换为振动信

号，通过李萨如图形判断材料的固有频率，从而计算出材料的杨氏模量，该方法多应用在测试材料杨氏模量性能上。

     杨氏模量计算公式：

        E=C₁·w·f²                                   （3）

              E ---- 试样的杨氏模量 

C₁ ---- 与试样尺寸有关的参数，由表格查出

              w ----试样的质量

              f ---- 试样的固有频率

该方法原理接近脉冲激振法，但也有自身的缺点，换能器转换信号时需要是试样表面紧密接触，而换能器多在常温下或低温下使用，高温下压电功能失效或受到很大影响，不适于高温性能的测试。

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。

依据应力-应变值采用曲线拟合的方式获得其斜率，从而获得其弹性模量。

动态法相对于静态法的优势

（1）动态法属于无损检测，可重复测试，测试后可继续用于其它测试；

（2）动态法测试高，测试达0.5%；

（3）一般地，静态法误差更大，一般百分之十几到几十的都有，同一组试样测试结果波动大，且属于破坏性试验，不可再次重复测试；

（4）静态法测试结果由于陶瓷材料特有的脆性特质，变形很小，很难准确测其载荷状态下的应变量，引入误差大；另外，静态法中E值获得需要应力-应变曲线拟合，拟合过程因为取值的原因引入误差也很大；

（5）一般情况下，载荷试验仅可获得材料的杨氏模量E，而动态法可获得杨氏模量、剪切模量、泊松比及阻尼比。

（6）操作简单，试验简单放置与支撑架上，激励锤直接敲击试样，瞬间可获得材料的杨氏模量、剪切模量、泊松比及阻尼比。

脉冲激振法相对与传统声频共振法的优势

（1）脉冲激振法测试高，一般杨氏模量、剪切模量均在0.5%以内；传统方法谐振频率多，容易误导试验者获得错误数据，操作人员需要一定经验，客户反映测试不准确多为选择谐振频率为共振频率，导致结果有误。

（2）脉冲激振法操作非常简单，只需敲击试样相应位置，通过声波传感器接收共振信号，不需与试样接触，即可获得其杨氏模量、剪切模量、泊松比及阻尼比；传统方法需要用凡士林之类的耦合剂，发射探头和接收探头分别与试样充分耦合，操作麻烦；

（3）脉冲激振法可以直接获得试样弯曲频率和扭曲频率并图形显示，非常直观，不宜造成固有频率的误判，如图

常温界

；传统方法则不能直观的图形显示材料的固有频率，一般是数值显示。

（4）脉冲激振法只需给试样一个脉冲激振信号，不需进行扫频；而传统方法采用扫频的方法，即由信号发生器等输出频率从小到大的正弦波信号给发射探头，然后由发射探头激励试样，这将导致试样、探头、悬线等紧密接触产生过多的谐振频率，而非试样固有的共振频率，从而影响实验结果（多客户反映测试结果不准，不能排除谐振频率等问题）。

（5）传统法采用试样与探头紧密耦合对试样进行发射和接收信号，容易导致探头与试样成为整体而产生共振（即所谓的谐振波），造成试样固有频率误判，所以需要有经验的操作者进行试验。

（6）脉冲激振法则是由敲击锤敲击一下试样，给试样一个脉冲信号，声波传感器放置在试样上方，不接触试样，试样支撑位置为节点位置，隔断了外界物体与试样产生谐振的源头，所以反映的是材料真正的固有频率，测试更准确，不容易产生误判。

（7）脉冲激振法只需敲击一下试样即可获得材料的杨氏模量E、剪切模量G、泊松比U及阻尼比；传统方法一般情况下仅测试材料的一种性能，如杨氏模量；即使可以测试剪切模量、泊松比，需要进行多次测试，如扫频只能测一个频率（弯曲频率或扭曲频率）。

（8）脉冲激振法样品尺寸要求不严格，尺寸范围广，可满足不同客户要求。