彈性模量的測量是物理學的基本測量之一,屬于力學的范圍。陶瓷彈性模量的測定方法,一般分為靜態法(主要是靜載荷法)和動態法(主要是共振法)。國內一般采用靜態法或動態法,而國外多采用動態法。
3.1 靜態法
靜態法是在試樣上施加一恒定的拉伸(或壓縮)應力,測定其彈性變形量;或在試樣上施加一恒定的彎曲應力,測定其彈性彎曲撓度,根據應力和應變計算彈性模量。
靜態法包括電阻應變法、彎曲撓度法等。通常適用于在大形變及常溫下測量金屬試樣。靜態法測量載荷大、加載速度慢并伴有弛豫過程,對脆性材料(如石墨、玻璃、耐火材料等)不適用,也不能在高溫狀態下測量。
3.1.1 彎曲法
彎曲法測定靜彈性模量是指以較低的位移速率在彎曲試樣上施加載荷,通過應力應變的關系測量的彈性模量。彎曲法測量有三點彎曲法、四點彎曲法兩種方法。
彎曲法對裝置試驗機、應變測量儀、位移測量裝置、量具和試樣作了規定。
采用應變材料裝置測量試驗時,在三點彎曲時應變片的長度不得大于1mm,四點彎曲時不得大于5mm,應變片粘于試樣跨距中央,記錄加荷過程負荷與應變的變化值。采用位移測量裝置測試試樣跨中撓度或加荷點位移時,需預先與試樣相同的材料或彈性模量高于試樣的材料制成修正試樣。修正試樣的長和寬與試樣一致,厚度應不小于試樣的4.6倍。
使用應變片法,三點彎曲方式測彈性模量時:使用應變片或測跨中撓度和加荷點位移時,彈性模量公式:

式中:ε2、ε1分別為應變片的應變量;
試樣跨中實際撓度,mm。
3.1.2 電阻應變法
電阻應變法是指用電阻應變片測定零部件或結構指定部位的表面應變,再根據應力應變關系式,確定構件表面應力狀態的一種實驗應力分析方法。
電阻應變法測量應變需要的儀器包括應變計和應變儀。其中應變計屬于傳感器,應變儀屬于放大、測量、顯示器。
實驗時,將電阻應變片(簡稱應變片)固定在被測構件上,當構件變形時,當應變計的電阻絲隨試件發生應變時,由于電阻絲長度和截面積的變化,導致電阻絲的阻值發生相應的變化。通過電阻應變儀,可以將應變片中的阻值變化測量出來并以正比于應變值的模擬電信號輸出,最后就可以用記錄儀記錄。
電阻應變法測量可以用式(1-1)表示:
(1-1)
式中 ε——應變儀測得的應變值;
dR/R——應變片阻值隨構件變形而發生的相對變化;
k——比例系數(靈敏系數)。
若被測部位在彈性范圍內工作,對測得的應變值,可以采用虎克定律換算得到對應的應力值。
3.2 動態法
動態法包括共振法(敲擊法)、超聲法。
最常用的是共振法,共振法包括彎曲(橫向)共振法、縱向共振法和扭轉共振法,其中彎曲共振法所用設備準確易得,理論同實驗吻合度好,且能同步評價材料的抗熱震性,適用于各種金屬及非金屬(脆性)材料的測量,測定的溫度范圍廣,可從液氮溫度至3000℃左右。
由于在測量上的優越性,動態法在實際應用中已經被廣泛采用,也是國家標準(GB/T2105-91)推薦使用的測量楊氏彈性模量的一種方法。
3.2.1 共振法
3.2.1.1 共振法的定義及原理
共振法是以一個連續可變的振動波,激發試樣,測定試樣在縱向或彎曲振動時,本身固有的共振頻率,如用一定的外力,敲擊試樣,產生各種頻率的振動,其中以基頻振動具有*大能量。根據能量與振幅的平方成正比的關系,顯然,在自由阻尼運動中,只有基頻振動的振幅衰減時間*長。利用這一特點,在敲擊法彈性測試中,對儀器設計了自動延時線路,待各高次振動的振幅衰減到很小或零時,便可方便而準確的對其基頻振動進行計算分析。由于其振動為阻尼振動,當振動頻率衰減到與試樣本身固有的頻率相等時,產生共振,振幅*大,這個波通過測試探針或測量話筒的傳遞轉換成電訊號送入儀器,測得此時的頻率,計算彈性模量。
共振法的基本原理是,已知彈性體的固有振動頻率取決于它的形狀、體積密度和彈性模量,所以對于形狀和體積密度已知的試樣,如測定其面固有振動頻率,則可求得彈性模量。試樣應為規則的矩形棱柱或圓棒。圓棒狀試樣只適用于彎曲響應實驗。測定方法是一個可以連續變化的頻率的聲頻振蕩器激發試樣一端,測量材料的固有振動頻率,按下式計算:

式中m為棒的質量,f為基頻振動的固有頻率,d為圓棒直徑,b和h分別為矩
形棒的寬度和高度。
由于實驗中一般只能測出試樣的共振頻率,物體固有頻率f固和共振頻率f共是相關的兩個不同概念,二者之間的關系為
(14)
上式中Q為試樣的機械品質因數。一般Q值遠大于50,共振頻率和固有頻率相比只偏低0.005%,二者相差很小,通常忽略二者的差別,用共振頻率代替固有頻率。
3.2.1.2 共振試驗方法
(1)脈沖激振法
脈沖激振法(Impulse Excitation Technique)是一種無損檢測方法,是通過試樣固有頻率、尺寸和質量來獲取材料楊氏模量、剪切模量、泊松比的一種方法。
脈沖激振法(Impulse Excitation Technique)是指通過合適的外力給定試樣某一特定位置一個連續的脈沖激振信號,當激振信號中的某一頻率與試樣的固有頻率相一致時,產生共振,此時振幅*大,延時*長,這個波通過測試探針或測量傳感器接收該振動信號,有換能器轉換為電訊號輸送給相應儀器或者計算機,然后通過數據的分析處理獲得試樣的固有頻率,該固有頻率依據試樣的振動方式不同而獲得不同類型的頻率,如彎曲頻率、扭曲頻率等,然后由相關公式計算得出其楊氏模量E、剪切模量G、泊松比及阻尼比等。

圖1 彎曲模式(Flexure mode) 圖2 扭曲模式(Torsion mode)
圖1為材料在材料一端部位置受激勵,在
脈沖激振法(Impulse Excitation Technique,IET)已被廣泛應用于研究與質量控制領域,IET技術的優點在于
彎曲模量(Young’s modulus)是指材料在彎曲振動模式下獲得的固有頻率,然后通過下式計算獲得的彈性模量,E。

Where

E is Young's modulus
m is mass
ff is natural frequency in flexure dimension
b is width
L is length
t is thickness
The above formula can be used should L/t ≥ 20
剪切模量(Shear modulus)是指材料在扭曲振動模式下獲得的固有頻率,然后通過下式計算獲得的彈性模量,E。

Where

Note we assume that b≥t
ft is the natural frequency in the torsion mode
m is mass
b is width
L is length
t is thickness
阻尼比(Damping coefficient) 材料在受激勵后,與材料發生共振后振動信號依據每種材料特有的屬性發生不同程度的衰減,如圖3。阻尼就是使自由振動衰減的各種摩擦和其他阻礙作用。
阻尼比是無單位量綱,表示了結構在受激振后振動的衰減形式。可分為等于1,等于0, 大于1,0~1之間4種,阻尼比=0即不考慮阻尼系統,結構常見的阻尼比都在0~1之間.

Where f = 1/T = ω/(2π) natural frequency
δ = kt the logarithmic decrement
k the exponential damping of the vibration signal
脈沖激振法(Impulse Excitation Technique,IET)已被廣泛應用于研究與質量控制領域,適用于各種固體材料,如金屬、合金、陶瓷、玻璃、耐火材料、石墨等等。IET技術在分辨率,量程和可靠性上超過其它原理的測試方法,是目前世界上公認的先進的非接觸測定各種材料彈性模量的一種理想檢測方法。
(2) 聲頻共振法
如圖3所示,采用木工用壓敏型膠粘劑將傳感器與試件的兩端連接在一起,在試件的一端利用信號發生器給發射探頭信號,試件另一端的接收探頭接收信號,發射信號和接收信號通過放大后傳到示波器,由示波器處理后顯示最大共振峰點的頻率,然后計獲得楊氏模量E或者剪切模量。

圖3 聲頻法示意圖
3.2.2 超聲波法
超聲法是指給試樣一定頻率的超聲波,測定超聲波在試樣中縱波的速度,根據相關公式計算出試樣彈性模量的一種測試方法。
超聲波的測定方法一般如圖4所示。將信號傳感器和信號接收器分別固定在耐火材料試樣的兩側,然后從加熱面背面的方向依次進行測定。

圖4 超聲法試驗示意圖
根據裝置測量出超聲波通過耐火材料試樣的時間。然后代入相關參數由下式計算出耐火材料試樣的彈性率。

式中,E為耐火材料的彈性率,Pa;ρ為耐火材料的密度,g·cm-3;L為超聲波通過的耐火材料的長度,cm;G為重力加速度(980cm/s2);T為超聲波通過耐火材料試樣時所需要的時間,S。然后通過比較熱沖擊試驗前后的耐火材料試
樣的彈性率變化,來評價耐火材料的抗熱沖擊性能。