弹性模量又称杨氏模量或拉伸模量,是描述固体材料在宏观上受外力作用时抗变形能力的重要物理量,反映材料形变和内应力之间的关系。弹性模量的测量对研究材料的力学性质有着重要的意义。无论是研究工程结构的静态特性还是其动态特性,都要经常用到弹性模量,因此如何准确获得材料的弹性模量是非常必要的。由于工程中使用的材料众多,材料的性能差异较大,且材料的弹性模量不仅和材料本身特性有关,而且与材料的试件尺寸和工作环境等因素有关,因此给弹性模量的测量带来了一定的困难。
目前,弹性模量的测量方法有:X射线衍射(XRD)和激光曲率结合法、弯曲法、压痕法和膨胀法等。弯曲法分为三点弯曲法、四点弯曲法、悬臂梁法,但此种方法对材料的破坏性大,测量时间长,制样工作量大,同时对于己成型的复杂结构材料测量无法进行。压痕法要求精确的压入深度,压入太深或者太浅都对实验产生巨大误差;同时压痕法对测试环境要求也很高,高温、高压、有毒等恶劣环境下很难测量。
超声检测弹性模量作为一种新的检测方式,具有非接触、无损、操作简单、适用面广等优点,非常适合应用于材料弹性模量的测量。通过分析接收到的纵波、横波、兰姆波、表面波速度,根据固体力学公式算出弹性模量和泊松比。
应用实例:某铝合金板材弹性模量的超声测试

图1 铝合金板材上采集到的超声波信号
表1 铝合金材料的测试结果
材料牌号 | 检测结果 | 理论结果 | 相对误差 | |||
铝合金 6061 | 弹性模量 E/GPa | 泊松比 μ | 弹性模量 E/GPa | 泊松比 μ | 弹性模量 E/GPa | 泊松比 μ |
72.82 | 0.327 | 69 | 0.33 | 5.5% | 0.9% | |