彈性撓度的檢測是數學學的基本檢測之一,屬于熱學的范圍。陶瓷彈性撓度的測定方式,通常分為靜態法(主要是靜荷載法)和動態法(主要是共振法)。國外通常采用靜態法或動態法,而美國多采用動態法。
3.1靜態法
靜態法是在試樣上施加一恒定的拉伸(或壓縮)撓度,測定其彈性變型量;或在試樣上施加一恒定的彎曲撓度,測定其彈性彎曲模量,按照撓度和應變估算彈性泊松比。
靜態法包括內阻應變法、彎曲模量法等。一般適用于在大形變及常溫下檢測金屬試樣。靜態法檢測荷載大、加載速率慢并伴有弛豫過程,對延性材料(如石墨、玻璃、耐火材料等)不適用,也不能在低溫狀態下檢測。
3.1.1彎曲法
彎曲法測定靜彈性撓度是指以較低的位移速度在彎曲試樣上施加載荷,通過撓度應變的關系檢測的彈性泊松比。彎曲法檢測有三點彎曲法、四點彎曲法兩種方式。
彎曲法對裝置試驗機、應變檢測儀、位移檢測裝置、量具和試樣作了規定。
采用應變材料裝置檢測試驗時,在三點彎曲時應變片的厚度不得小于1mm,四點彎曲時不得小于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。采用位移檢測裝置測試試樣跨中應力或加荷點位移時,需預先與試樣相同的材料或彈性撓度低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,長度應不大于試樣的4.6倍。
使用應變片法,三點彎曲方法測彈性撓度時:使用應變片或測跨中應力和加荷點位移時,彈性撓度公式:
式中:ε2、ε1分別為應變片的應變量;
試樣跨中實際應力,mm。
3.1.2內阻應變法
內阻應變法是指用內阻應變片測定零部件或結構指定部位的表面應變,再依照撓度應變關系式,確定預制構件表面撓度狀態的一種實驗撓度剖析方式。
內阻應變法檢測應變須要的儀器包括應變計和應變儀。其中應變計屬于傳感,應變儀屬于放大、測量、顯示器。
實驗時,將內阻應變片(簡稱應變片)固定在被測預制構件上,當預制構件變型時,當應變計的內阻絲隨試件發生應變時,因為內阻絲寬度和截面積的變化,造成內阻絲的電阻發生相應的變化。通過內阻應變儀,可以將應變片中的電阻變化檢測下來并以反比于應變值的模擬聯通號輸出,最后就可以用記錄儀記錄。
內阻應變法檢測可以用式(1-1)表示:
(1-1)
式中ε——應變儀測得的應變值;
dR/R——應變片電阻隨預制構件變型而發生的相對變化;
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撓度值。
3.2動態法
動態法包括共振法(敲打法)、超聲法。
最常用的是共振法可變電阻的測量方法,共振法包括彎曲(縱向)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確切易得,理論同實驗吻合度好,且能同步評價材料的耐光震性,適用于各類金屬及非金屬(延性)材料的檢測,測定的氣溫范圍廣,可從液氮水溫至3000℃左右。
因為在檢測上的優越性,動態法在實際應用中早已被廣泛采用,也是國家標準(GB/T2105-91)推薦使用的檢測楊氏彈性撓度的一種技巧。
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震動波,迸發試樣,測定試樣在橫向或彎曲震動時,本身固有的共振頻度,如用一定的外力,敲打試樣,形成各類頻度的震動,其中以頻域震動具有*大能量。依據能量與振幅的平方成反比的關系,其實,在自由減振運動中,只有雜訊震動的振幅衰減時間*長。借助這一特性,在敲打法彈性測試中,對儀器設計了手動延時線路,待各高次震動的振幅衰減到很小或零時,便可便捷而確切的對其雜訊震動進行估算剖析。因為其震動為減振震動,當震動頻度衰減到與試樣本身固有的頻度相等時,形成共振,振幅*大,這個波通過測試探針或檢測麥克風的傳遞轉換成電訊號送入儀器,測得此時的頻度,估算彈性泊松比。
共振法的基本原理是,已知彈性體的固有震動頻度取決于它的形狀、體積密度和彈性泊松比,所以對于形狀和容積密度已知的試樣,如測定其面固有震動頻度,則可求得彈性撓度。試樣應為規則的方形多面體或圓棒。圓球狀試樣只適用于彎曲響應實驗。測定方式是一個可以連續變化的頻度的聲頻振蕩器迸發試樣一端,檢測材料的固有震動頻度,按下式估算:
式中m為棒的質量,f為雜訊震動的固有頻度,d為圓棒半徑,b和h分別為矩
形棒的長度和高度。
因為實驗中通常只能測出試樣的共振頻度,物體固有頻度f固和共振頻度f共是相關的兩個不同概念,兩者之間的關系為
(14)
上式中Q為試樣的機械品質質數。通常Q值遠小于50,共振頻度和固有頻度相比只過高0.005%,兩者相差很小,一般忽視兩者的差異,用共振頻度取代固有頻度。
3.2.1.2共振試驗方式(1)脈沖激振法
脈沖激振法()是一種無損檢查方式,是通過試樣固有頻度、尺寸和質量來獲取材料楊氏撓度、剪切撓度、泊松比的一種方式。
脈沖激振法()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訊號,當激振訊號中的某一頻度與試樣的固有頻度相一致時,形成共振,此時振幅*大,延時*長,這個波通過測試探針或檢測傳感接收該震動訊號,有換能器轉換為電訊號輸送給相應儀器或則計算機,之后通過數據的剖析處理獲得試樣的固有頻度,該固有頻度根據試樣的震動形式不同而獲得不同類型的頻度,如彎曲頻度、扭曲頻度等,之后由相關公式估算得出其楊氏撓度E、剪切撓度G、泊松比及減振比等。
圖1彎曲模式()圖2扭曲模式()
圖1為材料在材料一端部位置受激勵,在
脈沖激振法(,IET)已被廣泛應用于研究與質量控制領域可變電阻的測量方法,IET技術的優點在于
彎曲撓度()是指材料在彎曲震動模式下獲得的固有頻度,之后通過下式估算獲得的彈性撓度,E。
Where
EisYoung's
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TheabovecanbeusedL/t≥20
剪切撓度(Shear)是指材料在扭曲震動模式下獲得的固有頻度,之后通過下式估算獲得的彈性撓度,E。
Where
Notewethatb≥t
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減振比()材料在受激勵后,與材料發生共振后震動訊號根據每種材料特有的屬性發生不同程度的衰減,如圖3。減振就是使自由震動衰減的各類磨擦和其他制約作用。
減振比是無單位量綱,表示了結構在受激振后震動的衰減方式。可分為等于1,等于0,小于1,0~1之間4種,減振比=0即不考慮減振系統,結構常見的減振比都在0~1之間.
Wheref=1/T=ω/(2π)
δ=ktthe
ktheofthe
脈沖激振法(,IET)已被廣泛應用于研究與質量控制領域,適用于各類固體材料,如金屬、合金、陶瓷、玻璃、耐火材料、石墨等等。IET技術在碼率,阻值和可靠性上超過其它原理的測試方式,是目前世界上公認的先進的非接觸測定各類材料彈性撓度的一種理想測量方式。
(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與試件的兩端聯接在一起,在試件的一端借助訊號發生器給發射探頭訊號,試件另一端的接收探頭接收訊號,發射訊號和接收訊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度,之后計獲得楊氏撓度E或則剪切撓度。
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度的超聲波,測定超聲波在試樣中縱波的速率,按照相關公式估算出試樣彈性撓度的一種測試方式。
超聲波的測定方式通常如圖4所示。將訊號傳感和訊號接收器分別固定在耐火材料試樣的左側,之后從加熱面反面的方向依次進行測定。
圖4超聲法試驗示意圖
依據裝置檢測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估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厚度,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須要的時間,S。之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,來評價耐火材料的耐光沖擊性能。