機械效能檢測丨動態彈性模量儀

彈性模量怎麼計算

提示：文章較長，請根據自己所需去讀相應段落。

試驗介紹

一般地講，對彈性體施加一個外界作用力，彈性體會發生形狀的改變（稱為“形變”），“彈性模量”的一般定義是：

單向應力狀態下應力除以該方向的應變

。

材料在彈性形變階段，其應力和應變成正比例關係（即符合胡克定律），其比例係數稱為彈性模量。彈性模量的單位是打因每平方釐米。“彈性模量”是描述物質彈性的一個物理量，是一個統稱，表示方法可以是

“楊氏模量”

、

“切變模量”

等。

研究意義：

彈性模量是工程材料重要的效能引數，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。凡影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結構、化學成分、微觀組織、溫度等。

因合金成分不同、熱處理狀態不同、冷塑性變形不同等，金屬材料的楊氏模量值會有5%或者更大的波動

。但是總體來說，

金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學效能指標

，合金化、熱處理（纖維組織）、冷塑性變形等對彈性模量的影響較小，溫度、載入速率等外在因素對其影響也不大，所以一般工程應用中都把彈性模量作為

常數

。

彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應力作用下，發生彈性變形越小。彈性模量E是指材料在外力作用下產生單位彈性變形所需要的應力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標，相當於普通彈簧中的剛度。

裝置資訊

在這裡我用比利時Grindosonic廠商的MK7彈性模量儀來給大家做介紹。以此來與大家交流裝置的使用、維護、升級方面的意見建議。

1，裝置概述。MK7彈性模量儀包括GrindoSonic MK7主機和GrindoSonic HT 1200高溫爐兩部分。 GrindoSonic MK7系統設計用於基於

脈衝激振法（IET)

（點選可進入科普連結）的共振頻率、材料特性（E和G模量）、質量控制和質量保證應用的無損測量。GrindoSonic HT 1200是一種利用脈衝激勵測量材料彈性特性溫度變化的儀器。

2，使用範圍。

功能範圍：用於材料彈性特性的無損測量；E和G模量和泊松比的測量；因為在斷裂載荷和固有頻率之間存在很好的相關性所以可以用作破壞性載荷的替代方案；投產生產過程中的監控和QA-QC。

能力範圍：材料檢測範圍：陶瓷，木材，複合材料，磚，混凝土等；尺寸範圍從小於100毫克到100噸，適用於工業和實驗室用途。

試樣尺寸範圍：

室溫下的測量一般來說不限樣品尺寸。

高溫下的測量根據高溫爐腔的大小來定，考慮到樣品在腔體內部的活動性，一般來說長寬高最好均不超過100mm。

3，裝置引數：

尺寸大小：置於1。5*1。5m的桌面，可外接保護氣。

頻率範圍20 Hz-100 KHz

參考精度優於0。005％

解析度高達1 / 1。000。000

振動探測器

聲音探測器

供應100-240 VAC

4，環境條件：略，室溫下可正常操作，環境條件類似於其他電子器械的安全使用條件。

5，部分零件及裝置圖片：

加熱爐體

主機

感測器

工具和標塊

支架

6，配套裝置：

廠商附件有氣體流量計、陶瓷標塊、敲擊錘、支架、海綿底座、耐熱高溫合金纏繞絲、熱電偶以及瀑布製圖顯示處理軟體、彈性模量計算軟體等。使用者可根據實際需求配保護氣、試樣保護盒、支座等。

7，裝置廠家

該裝置是來自比利時的Grindosonic公司，公司有50年曆史主要生產基於脈衝激振技術（IET）的無損檢測裝置。

Welcome to GrindoSonic

8，相關標準

ASTM E1876-01 Standard Test Method for Dynamic Young‘s Modulus， Shear Modulus， and Poisson’s Ratio by Impulse Excitation of Vibration

GBT22315-2008 金屬材料彈性模量和泊松比試驗方法標準

GB/T 5594。2-1985 電子元器件結構陶瓷材料效能

測試

方法 楊氏彈性模量 泊松比

測試

方法

。。。等（凡是採用脈衝激振獲得的彈性模量均可）

9，操作規程

檔案較長有需要可以私信我，我發給大家。

裝置維護

首先這臺裝置還有很大的開發空間。

1，裝置升級：

（1）自我維護

我這裡根據我的實際上使用經歷來說明在使用過程中應該注意哪些問題，該怎麼解決，還怎麼升級。

熱電偶

彈模儀的熱電偶是可以由廠家自由選配的。我想說的是廠家給我們配的是K偶，我們實際的使用需求是室溫到1200攝氏度。理論上K偶的最高使用溫度在1300攝氏度，但注意這不是迴圈使用溫度，或者說你可以使用一次兩次，但使用次數多了他會變得不準確，甚至對熱電偶產生損耗，掉皮、氧化等現象，最後導致斷裂失效。後來我們重新申請換裝了R偶。這其中要注意的點是連同更換R偶藕絲的同時還要同時更換電爐上面的PCB板，原來是K偶的PCB換成R偶的PCB就好了，另外還要在主機程式上修改熱電偶設定。R偶最高使用溫度能達到1600攝氏度，我們迴圈使用1200攝氏度時沒問題了，

激發器

彈模儀使用的是電磁激發器，激發器中間是鐵芯。這就造成了很大麻煩。首先激發器的電磁特性就會直接將中間的鐵芯磁化，導致帶磁的鐵芯粘在激發器的腔體裡，沒法掉下來準備下一次激發，接收器識別不到共振頻率造成主機報警。

這種現象最嚴重的是在你需要做連續試驗時，如果中間出現了間斷的情況，而人員又不在裝置旁邊，將會直接造成試驗失敗，需要重新加熱進行試驗。

我的解決方法是在激發起的下面用一跟金屬絲纏繞成螺旋的彈簧狀，連結鐵芯和重物（也可以是爐體）在鐵芯向上激發的同時也拉動金屬絲，金屬絲產生反向拉力，若鐵芯被腔體站住，這個拉力可以使鐵芯掉下來，準備下一次激發。

要從本質上去解決這個問題還是建議換一種激發起，可以換成其他機械式的，比如撥片式或者彈簧式就能避免鐵芯磁化問題。

麥克風接收器

拆過機器你會發現接收器麥克風在陶瓷管的最上部。聲波完全是透過中間長長的腔體傳遞到接收器上的，室溫下樣品的剛性（彈性模量）大，發出的共振清脆，可以很直接地傳遞到麥克風裡，但隨著溫度的升高，聲音越來越小，麥克風接收聲波越來越困難，這時你可以採取的方法只有兩種，一是下降上部陶瓷管的高度使他儘可能地接近樣品但不觸碰樣品，二是提升激發管的高度使激發杆儘可能地接近樣品但不接觸樣品，增大敲擊力度。有專家說可以從軟體內部提升激發的時間，但親測用處不大。

如果要從本質上去解決問題，我的建議還是改變麥克風陶瓷管的結構、或者在爐體內部陶瓷管上鍊接冷卻器，從而可以降低麥克風在陶瓷管中的高度。

高溫合金絲的綁法

高溫合金絲這個主要用在高溫試驗裡。原廠所配的高溫合金絲大概能耐到900攝氏度不發生掉皮剝落。但如果你的試驗要做到900攝氏度以上就要考慮高溫合金絲的軟化和氧化的問題了。高溫下因為溫度的升高再加上樣品的重量會導致高溫合金絲鬆動下垂。這也是導致麥克風接收器接收不到訊號的直接原因。900度以後偶隨著溫度的升高，來回的激發會使樣品不斷地降低，離麥克風越來越遠，因此試驗人員要格外注意這時候的麥克風的調節，可能每十幾分鍾就接收不到訊號就要往下調節一次。還有一種情況是因為金屬絲的軟化，導致試驗剛開始綁緊的試樣變得鬆動（主要影響的是切變模量的測定上），在激發的作用下樣品中心位置不斷偏移，有可能導致試驗失敗。

解決方法：我採用的是雙絲合併的辦法，兩根合金絲一起綁，這樣可以更加牢固。在切變模量的綁法上我再長度方向上的支架上預先綁了一根合金絲作為承載繩，可以比較有效地減緩試樣下垂（但不代表它不會下垂，只是幅度會有所減小）

雜波干擾

用過這臺裝置的都知道，雜波的干擾很頭疼，一不小心就會讓實驗前功盡棄。這個波的頻率大小在8KHZ左右，包括它的二次頻率16K、32K、64KHZ都是雜波。這個問題當時比利時工程師來之後也沒有找到原因，一直存在問題。我一度認為是上面的PCB板沒做電磁遮蔽的原因，後來在一次試驗中發現加熱爐後部風扇的聲音比較規律也發出噪音。我試著用裝置的室溫麥克風接收器放到風扇後部，測得頻率8KHZ。因此我斷定，這個雜波和風扇有關。於是私自吧後部風扇蓋板連同電路板一同開啟，抽出來，進行試驗，果然8KHZ的雜波消失了，並且試驗穩定進行。我推斷的是，風扇的扇葉震動發出噪聲以及風扇帶動金屬板共振導致雜波產生。

解決方法 ：如果沒有獲得廠商的更新升級，我的建議是可以向我一樣吧後壁風扇板抽出，使得風扇和爐體連線不那麼緊密，同時也拉長風扇和麥克風的距離，可以作為短期有效的應急預案。本質上去解決就需要更換靜音風扇，加裝風扇與爐體的緩衝膠片，甚至改變爐體電路板的冷卻方式。

（2）對廠商的建議

高溫爐麥克風的安裝，建議可以在保證麥克風不受影響的情況下降低麥克風與腔體的距離。例如在槍管上安裝冷卻散熱片，在腔體內部填充絕熱導音材料。

試樣的安裝方式可以講金屬絲纏繞的方式換成陶瓷支架的固定方式

熱電偶建議配S偶和R偶模組。吐槽一下K偶的確不實用。

激發器換成撥片或者彈簧式的

主機軟體比較卡，建議換高效能處理器。

（3）第三方升級

目前尋找合適的改造方，或者備件提供方。要找也並不難只要提供需求很多廠商可以定製。

2，裝置採購

grindosonic在中國有代理商，地址是上海，基本面向全國開展代理業務，從用途上考慮可以作為試驗裝置也可以作為流水線上的檢測裝置，用途廣泛 。

如果讀者有需要這方面的聯絡或者交流可以和我探討，我也可以幫助聯絡廠家和代理方。

3，裝置維修

因為是進口裝置，該裝置目前還是透過代理方做維修工作，沒有專門的第三方維修機構，若造成不可逆破壞可能需要原廠更換。

推薦可以參考我上面的額教程做自我維修或維護

交流討論

1，技術討論

問：怎麼才能把試樣棒緊一些？

答：高溫合金絲對摺纏繞，先用手擰一遍，再用老虎鉗擰，注意用老虎鉗擰的時候不能用力過大，因為很容易在室溫下就擰斷，或者太緊的話高溫下也會斷。

問：高溫試驗時，要想同時激發出楊氏模量和切變模量，怎麼才能找到合適的激發點？

答：首先裝置會根據激發出來獲得的兩個共振頻率去自動識別彎曲頻率和扭曲頻率，你要做的只是讓這兩個頻率都能清晰的出來，不用擔心那個強那個弱。通常情況下越靠近試樣的中心彎曲頻率越大，越靠近邊部扭曲頻率越大。不斷挪動試樣，找到兩個頻率都平衡的點，不要一個過大一個過小。

問：在“all pass”下這樣找到那個頻率才是試樣應有的頻率

答：在試驗前先要用室溫麥克風或者探頭來檢測下他室溫下的模量是多少，用探頭檢測出來的額楊氏模量和切變模量所對應的兩個頻率就是他應有的頻率。確定好之後再放到高溫爐裡，用麥克風檢測，尋找合適位置和找到對應的“濾波器”過濾掉其他的頻率。

問：。。。。

答：。。。。（使用者可以在下部留言，我會一一回復，大家也可以在留言區互相交流）

2：極客討論

氣體保護倉的升級方法：試樣在加熱爐腔裡容易被氧化，如果直接同氬氣由於四周並不是一個相對密閉的環境，比較難達到保護的效果，氬氣消耗量也就較大。

我們可以給試樣加裝一個金屬保護罩，將試樣放到金屬盒裡，氬氣直接通入金屬盒中，達到保護的效果。金屬保護盒圖紙如下：

金屬保護盒圖示

加熱爐的硬體升級方法 ：

廠商原配的加熱爐升溫步驟是有限的，當我們需要不斷升溫保溫的時候院加熱爐沒法實現，後來我們向廠商申請更換了一塊升溫程式控制板，也就是加熱爐前面顯示的那塊板。

升級方法是用螺絲刀從裝置前面下部擰下螺絲後，抽出程式板，再換上新的就行。抽老闆的時候會比較費勁，但不用擔心，用力抽出來就好。

還有其他可DIY升級的請評論區交流。

3，維修討論

問：裝置上部連線熱電偶、麥克風和PCB板的4根線是怎麼排序連線的？

答：左二是熱電偶極，右二是麥克風極。

問：連線爐體和主機的兩根線怎麼接 ？

答：根據兩根訊號線一根大一根小（大的是程式控制線，小的是訊號接收線和訊號發出線），按順序來接。

問：。。。。

答：。。。。（暫時沒法收集那麼多的問題，有需要可以下下部留言討論，大家互相交流）

個人微訊號：oytforever