泊松比的測試方法總結

2021-12-22 09:51:19 字數 2767 閱讀 6389

泊松比:在材料的比例極限內,由均勻分布的縱向應力所引起的橫向應變與相應的縱向應變之比的絕對值。只要材料的受力保持在彈性範圍內,則此值為常量。

從微觀的角度來講,對於金屬、玻璃等材料泊松效應是由於在拉力作用下,分子內化學鍵在乙個方向被拉伸時,在其他方向在發生收縮,分子間發生相對移動而引起的。但紙張在拉伸時,除了纖維本身發生變形外,纖維間也會發生相對移動,引起紙頁結構的改變,這兩方面因素共同決定紙張的泊松比。

泊松比測試方法:

一、機械方法

1.金屬材料泊松比的測試方法(gb/t 22315-2008)

測試原理:對試樣施加軸向力,在其彈性範圍內測定相應的軸向變形和橫向變形,然後計算其泊松比。試驗時通過橫向和縱向引伸計自動記錄方法繪製橫向-縱向應變曲線,得到材料的泊松比。

引伸計法常溫下操作簡單方便位移測量直觀,但是引伸計自重和夾持力較大會引起軟質試樣的附加變形,該方法只適用於硬質試件。而紙張通常都比較薄,受力比較敏感,借助夾具將引伸計固定在紙張上測量其橫向應變必然會造成很大的誤差,該方法並不適合紙張泊松比的測定。

2. 電測法

測試原理:

(1)應變片測試原理

電測法是工程上常用的對實際構件進行應力分析實驗的方法之一。它是通過貼在構件被測點處的電阻應變片(以下簡稱應變片),將被測點的應變值轉換為應變片的電阻變化,再利用電阻應變儀測出應變片的電阻變數,並直接轉換輸出應變值,然後依據虎克定律計算出構件被測點的應力值的大小。在電測法中,主要裝置是電阻應變片和電阻應變儀。

其中,電阻應變片是將應變變化量轉變成電阻變化量的轉換元件。應變電測試具有感受元件重量輕,體積小;測量系統訊號傳遞迅速、靈敏度高、可遙感,便於與計算機連用及實現自動化等優點。它的工作原理很簡單,是依據金屬絲的電阻r 與其本身長度l 成正比,與其橫截面積a成反比這一物理學定律而得,用公式表示其電阻即為:

(為電阻係數)

當電阻絲受到軸向拉伸或壓縮時,上式中的l、a、p均將發生變化。若此時對上式兩端同取對數,即有:

對其進行數學求導,有:

因為金屬電阻線受軸向拉伸(或壓縮)作用時,式中:

所以上式可寫成:

並令式中:ν--電阻絲材料的泊松比

k0—單絲靈敏係數。則:

對大多數電阻絲而言,k0為常量,對絲柵狀應變片或箔式應變片,考慮到已不是單根絲,故改用靈敏係數k代替代。

可見,應變片的電阻變化率與應變值呈線性關係。當把應變片牢固貼上於試件上,使之與試同步變形時,便可由式中的電量—非電量轉換關係調得試件的應變。

(2)惠斯登路橋應用

(1)1/4橋溫度補償片(r2)

(2)半橋

(3)全橋

實驗原理:

實驗裝置見圖1-1,它由手輪(施加力)、試件、支承框架、拉壓力感測器等組成。

材料在彈性階段服從虎克定律,其關係為,若已知載荷p及試件橫截面面積a,只要測得試件表面軸向應變εp就可得,若同時測得試件表面橫向應變εp』,則。

圖3 實驗裝置

1.手輪(施加力);2.試件;3.支承框架;4.拉壓力感測器

e、u測定試件見圖1-2,是由鋁合金(或鋼等材料)加工成的板試件,在試件中間的兩個面上,沿試件的軸線方向和橫向共貼上四片應變片,分別為r1、r2、r1′、r2′,採用1/4橋接線法。由軸向應變測量橋和橫向應變測量橋可分別測得εp和εp′,也就可計算得到彈性模量e和泊松比u。

圖1-2試件、應變片布置圖及橋路布置圖

在接觸式測量材料泊松比的方法中,相比較而言,該方法最適合紙張泊松比的測試,纖維增強塑料的泊松比(gb/t 3354-1999)也是用這種方法測試。但測試時需要用膠水將應變片粘到紙張,膠水會對實驗結果造成一定的影響,測量的準確度受材料剛度的影響比較大。

二、聲學方法

聲學測試泊松比的方法通常是根據彈性波理論,通過測定縱橫波速來推算材料的泊松比。

1. 玻璃泊松比的測試方法(gb/t 7962.6-2010)

測試原理:採用超聲波脈衝回波法通過測量彈性波在固體樣品中得傳播速度來獲取材料的彈性引數。彈性波在各向同性的彈性介質中傳播時,根據彈性波的在固體中的傳播理論,不同模式的聲波在固體中得傳播速度與材料的相應的彈性模量和密度相關。

該方法先根據性波的在固體中的傳播理**式測得玻璃的楊氏模量和剪下模量,然後通過公式計算得出。

該方法的實驗原理以及試樣的選取均不適合於紙張楊氏模量的測試。

除了超聲波脈衝回波法以外,用於泊松比測試的聲學方法還包括布里淵散射(sbs)、表面聲波(am)、聲學顯微(am)等,由於非金屬材料,通常其聲阻和內阻尼都較大的,要測得準確的聲速和振動測試都還比較困難,目前這幾種方法都還處於研究階段,主要用於金屬材料的泊松比測試。

三、光學方法

用於材料泊松比測試的光學方法以彈性力學中板或梁的純彎曲理論為基礎,從干涉圖樣中推算泊松比,現在最主要的測試方法有光干涉測量法、光導熱塑全息照相法、數字散斑內相關法(dscm)等。光學方法是非接觸式的測量方法,理論上來講其測量精度優於傳統的機械法,但要求照相、攝像器材及振動台具,且對光電測試法的解析度要求較高,雖然這些方法國內外都已做出大量研究,但並沒有形成統一的測試標準,實驗所能達到的測量誤差亦很難評估。

結論有關泊松比測試方法的研究多針對於金屬、陶瓷、塑料等剛性較大的材料,總的來說,機械法是常規和標準的方法,且裝置簡單,操作方便,最易於實現,但對測試的材料有一定的要求;聲學方法和光學方法是相對較好測試材料泊松比的方法,但目前這兩種方法還不夠成熟,離實際應用和精確測量都還有一定的距離。

對於紙張泊松比的測試方法還沒有專門的測試標準或測試方法。可借鑑gb/t 3354-1999(定向纖維增強塑料拉伸效能試驗方法)的規定,用電測法來測量其泊松比。雖然在試件上附加電阻片會增加材料的剛度,紙張的厚度不能達到標準的要求(1~3mm),但電測法感受元件重量輕,體積小,浸漬酚醛樹脂後芳綸紙的強度和剛度都較高,實驗所帶來的誤差應該不會很大。

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