如何测量材料的弹性模量和泊松比

主要的方法有 试验机应力应变曲线拉伸法（用的最广泛，但精确度最低），纳米压痕法（结果只代表表面测试点），超声回波法（精度稍高些，只适用于大体积各向同性材料），超声共振法（可以测量各向异性材料，有限尺寸材料，精度最高。但是要求材料样品要规则几何形状，有设备RUSpec可以做），激光超声表面波法（适合微纳米薄膜材料，设备SAWSpec）

1 国外标准概括
国内外耐火行业弹性模量测试方法有DIN EN ISO 12680-1、ASTM C 885、ASTM C 1548-2、ASTM C 1419。标准中制定的均为耐火材料常温测试方法，还没对其高温弹性模量测试方法做具体说明。
目前国际上已经制定的弹性模量标准均采用动态法。据有关方透露，静态法测试杨氏模量标准也在准备中。
1.1 动态法
动态法测试主要分为脉冲激振法、声频共振法、声速法。
脉冲激振法：结构原理见图1。通过合适的外力给定试样脉冲激振信号，当激振信号中的某一频率与试样的固有频率相一致时，产生共振，此时振幅最大，延时最长，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，测出试样的固有频率，由公式 计算得出杨氏模量E。

图1 弹性模量测试结构原理图（脉冲激振法）
特点：--- 国际通用的一种常温测试方法，如ISO 12680-1、ASTM C 1548；
--- 信号激发、接收结构简单，测试测试准确；
--- 信号激发、接收均采用非接触式，便于实现高温测试；
--- 频谱分析得试样固有频率，准确、直观。
声频共振法：结构原理见图2。指有声频发生器发送声频电信号，由换能器转换为振动信号驱动试样，再由换能器接收并转换为电信号，分析此信号与发生器信号在示波器上形成的图形，得出试样的固有频率f，由公式 E=C1•w•f2 得出试样的杨氏模量。

图2 弹性模量测试结构原理图（声频共振法）
特点： --- 采用标准ASTM C 885 Standard Test Method for Young’s Modulus of Refractory Shapes by Sonic Resonance
--- 声频发生器、放大器等组成激发器；
--- 换能器接收信号，示波器显示信号；
--- 李萨如图形判断试样固有频率。
缺点： --- 激发器结构复杂，必要时激发器需要与试样表面耦合，操作不方便；
--- 示波器数据处理及显示单一；
--- 可能存在多个李萨如图形，易误判；
--- 该方法不方便用于高温测试。
声速法：其结构原理见图3、4。由信号发生器给出超声信号，测试信号在试样中的传播时间，得出该信号在试样中的传播速度ν，由公式E=ρ•ν2计算得试样杨氏模量。

图3 声速法测试结构原理图 图4 声速测定原理图
特点： --- 采用标准ASTM C 1419 Standard Test Method for Sonic Velocity in Refractory Materials at Room Temperature And Its Use In Obtaining an Approximate Young’s Modulus；
--- 超声波发生器及换能器组成激发系统；
--- 换能器转换信号；
--- 测试超声波在试样两平行面的传播时间差，计算声速。
缺点： --- 激发器结构复杂，必要时激发器需要与试样表面耦合，操作不方便；
--- 时间差的信号处理点容易引入误差，只能得出近似杨氏模量；
--- 该方法不方便用于高温测试。
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。
特点： --- 国内采用的方法，国内外耐火行业目前还没制定相应的标准；
--- 获得材料的真实变形量 应力---应变曲线。
缺点：试样用量大；准确度低；不能重复测定。
1.3 小结
--- 国际上仅制定了常温动态弹性模量测试方法；
--- 脉冲激振法可同时用于常温、高温弹性模量测试，其它标准均不易实现高温条件；
--- 脉冲激振法结构较为简单，测试准确，更适于标准制定；
--- 静态法可用于常温、高温杨氏模量测试，但目前还没有相关标准；
--- 标准中仅简单提示可用于高温情况下的测量，但没有详细说明。