【GB国家标准】 无损检测 弹性模量和泊松比的超声测量方法

ICS19.100
J04
中华人民共和国国家标准
GB/T38897—2020
无损检测
弹性模量和泊松比的
超声测量方法
Non-destructive testing--Measurement method for material elastic modulus andPoisson'sratiousingultrasoincvelocity2020-06-02发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2020-12-01实施
规范性引用文件
术语和定义
人员要求
方法概要
检测规程
8报告
附录A（资料性附录）
附录B（资料性附录）
弹性模量和泊松比检测材料
弹性模量和泊松比测量及不确定度评定实例GB/T38897—2020
本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草本标准由全国无损检测标准化技术委员会（SAC/TC56）提出并归口。GB/T38897-—2020
本标准起草单位：北京理工大学、上海材料研究所、中国工程物理研究院化工材料研究所、钢铁研究总院、北京遥测技术研究所
本标准主要起草人：周世圆、徐春广、蒋建生、肖定国、丁杰、郝娟、潘勤学、韩丽娜、张伟斌、徐尧，张敬霖、冯红亮、彭泳卿、黄巧盛、赵明华、昊玄、付君强m
1范围
无损检测弹性模量和泊松比的
超声测量方法
GB/T38897—2020
本标准规定了基于声速法的材料弹性模量和泊松比超声测量方法，包括人员、设备、试样、规程和报告等要求。
本标准适用于检测金属和非金属固体材料的弹性模量和泊松比，其他复合固体材料亦可参照使用规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T10623金属材料力学性能试验术语GB/T12604.1无损检测术语超声检测GB/T15014弹性合金、膨胀合金、热双金属、电阻合金物理量术语及定义术语和定义
GB/T10623、GB/T12604.1和GB/T15014界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1
体波bodywave
在无限或半无限弹性介质中传播的波3.2
导波guidedwave
在有界弹性介质中传播的波。
扭转波torsionalwave
在圆形棒、管形和线材中扭转振动沿轴线传播的波。3.4
信号前沿
leadingedge
回波波峰上升沿与时基的交点。注：如图1a)所示，半波检波检测信号中的点Bt、BB，和B，是信号前沿：如图1b)所示，双极性检测信号中的点Ri、R2、R，和R，是信号前沿。GB/T38897—2020
半波检波检测信号
4人员要求
图1回波信号前沿示意图
b）双极性检测信号
从事材料弹性模量和泊松比测量的人员应掌握一定的超声检测知识。按照本标准实施的人员，应掌握与本标准相关的技术与知识，并由雇主或其代理对其进行岗位培训和操作授权、5方法概要
5.1原理
固体材料中的超声波传播速度由其弹性模量和密度决定。在已知材料密度的基础上，通过测量超声波在固体材料中的传播速度，计算获得材料的弹性模量和泊松比，检测方法包括适用于块状试样的体波法和适用于圆形截面杆状试样的导波法。体波法通过测量块状固体中纵波和横波的传播时间和传播距离，获得材料的纵波声速和横波声速由材料的纵波声速、横波声速和密度计算获得材料的杨氏模量，由材料的横波声速和密度计算获得材料的剪切模量，由材料的纵波声速和横波声速计算获得材料的泊松比。导波法通过测量圆形细杆中纵波和扭转波的传播时间和传播距离，获得材料的纵波声速和扭转波声速，由材料的纵波声速和密度计算获得材料的杨氏模量，由材料的扭转波声速和密度计算获得材料的剪切模量，由材料的纵波声速和扭转波声速计算获得材料的泊松比5.2方法特性
体波法利用在半无限弹性介质中传播的声波速度测量弹性模量和泊松比，测量横波声速，计算获得剪切模量；测量纵波声速和横波声速，计算获得杨氏模量或泊松比。导波法利用圆形截面杆中传播的声波速度测量弹性模量和泊松比，测量纵波声速或扭转波声速，计算获得杨氏模量或剪切模量；测量纵波声速和扭转波声速，计算获得泊松比。按本标准规定的方法检测弹性模量和泊松比的材料名称参见附录A，5.3方法选择依据
体波法适用于厚度不小于5mm的块状试样，且垂直于声波传播方向的最小尺寸应不小于换能器直径或长边尺寸的3倍。
导波法适用于直径不大于5mm的圆形截面杆状试样，且长度不小于100mm，长径比不小于40。各向异性材料按本标准规定的方法获得的弹性模量为沿声束传播方向的弹性模量。根据试样的制备难易程度和换能器的尺寸选择检测方法，如板材和棒材检测宜采用体波法，丝材检测宜采用导波法。
SAC
6设备
6.1组成
GB/T38897—2020
检测仪器由A型脉冲反射式超声波探伤设备（或A型脉冲反射式超声脉冲信号收发仪和示波器）和超声换能器组成。超声脉冲信号收发仪用于产生电脉冲信号激励超声换能器发射超声波，并对超声换能器接收超声回波输出的脉冲电信号放大和滤波处理。示波器用于显示超声脉冲信号收发仪输出的脉冲电信号。超声换能器用于反射和接受超声波信号和信号采集。检测仪器特性应至少达到如下要求：
仪器激励电脉冲信号的电压与峰值频率（脉冲宽度）可调，电压不低于60V，峰值频率调整范围至少覆盖1MHz～15MHz
b）接收放大增益和滤波带宽可调，放大增益调整范围至少覆盖一10dB～60dB示波器时间测量分辨力和显示宽度可调，测量分辨力不低于5ns，最大显示宽度不小于10psc
d）体波法采用接触式换能器或非接触式换能器，纵波换能器用于测量纵波声速，横波换能器用于测量横波声速，尺寸应不大于试样垂直于声传播方向的最小尺寸的1/3。导波法采用磁致伸缩波导杆式超声换能器，在纵波模式下产生和接收纵波，在扭转波模式下产e)
生和接收扭转波。
换能器频率的选择应考虑材料的声衰减和缺欠的分散率。体波法检测频率一般为1MHz～f）
15MHz,导波法检测频率一般为50kHz～200kHz。为得到更高精度的弹性模量和泊松比值，宜采用尽可能高的频率，并至少能够显示2次清晰的反射回波。Kaeei
6.2试样
6.2.1体波法试样
试样放置换能器的两检测表面（声波人射面和反射面）之间的距离（试样厚度）应不小于5mm，且不小于波长的5倍；两检测表面应平行，平行度在士3°以内；两检测表面的表面粗糙度Ra≤3.2μm。垂直于声波传播方向的最小尺寸应不小于换能器直径或长边尺寸的3倍，且不小于波长的10倍6.2.2导波法试样
试样为圆形截面杆.杆直径不大于5mm，且长度不小于100mm，长径比不小于40.杆两端面平行度在士3°以内，圆柱度在0.05mm以内，圆柱表面粗糙度优于3.2uμm。6.3耦合剂
检测时，应使用适应被测试样的耦合剂，以保证换能器与被测试样表面具有良好的耦合。对于纵波声速测量，耦合剂应使用洁净的轻质油等材料；对于横波声速测量，应使用树脂或固体黏结剂等高黏性的材料，对某些材料使用蜂蜜、类聚丁烯或其他高黏性的材料更有效。耦合剂不应对被测试样有影响。导波法检测时，可采用针焊法将磁致伸缩波导杆式超声换能器的波导杆与被测试样焊接在一起，以保证稳定可靠的超声耦合。
6.4量具
用于测量被测试样厚度h或长度1的游标卡尺或千分尺（或其他等效量具），测量精度应不低于0.1%。被测试样密度应依据材料类型依据相关标准进行测量，测量精度应不低于0.1%。3
GB/T38897—2020
7检测规程
7.1检测区域
根据使用的仪器和现场实际情况，按照有关文件的要求选择检测区域。如材料特殊或结构复杂，适宜时在同一被测试样上，选择多个检测位置，并记录检测信号对应的检测位置。7.2表面要求
被测试样表面应清洁平整，检测前，应将对可能引起错误解释的表面疑物予以清除。7.3换能器布置方案
换能器布置于检测区域的指定位置。体波法中应保证纵波声速和横波声速测量时，纵波换能器与横波换能器位于同一检测位置。7.4检测仪器的调整和设置
超声脉冲信号收发仪器调整到正常工作状态，设置脉冲激励频率、脉冲激励电压、接收信号滤波带宽、接收信号放大增益、A扫信号显示位置和宽度等检测参数。7.5体波法
7.5.1检测系统示意图
体波法通过测量块状固体中纵波和横波的传播速度获得其弹性模量和泊松比，其检测系统如图2所示。
超声换能器
耦合剂
7.5.2纵波声速测量
超卢脉补信导收发仪
000
00000
示波器
图2、体波法弹性模量和泊松比检测系统示意图7.5.2.1通过测量被测试样的厚度和纵波在其中的传播时间，获得被测试样的纵波声速。7.5.2.2纵波换能器放置于被测试样声波人射面，施加耦合剂，保证良好耦合，调整超声脉冲信号收发仪，使底面回波信噪比不低于10dB，调整示波器，获得尽可能多的底面回波信号，如图3所示。7.5.2.3声波从人射面传播至反射面再传播回人射面称为一次完整路径传播，一次完整路径传播为2倍被测试样厚度。第一个回波信号和最后一个回波信号之间的完整路径传播次数n，等于回波个数4
减1。如图3所示，回波1和回波5之间完整路径传播次数为4。2
激刷波
图3回波波形图
7.5.2.4测量第二个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差△zt。按式（1)计算被测试样的纵波声速：7.5.2.5
式中：
纵波声速，单位为米每秒（m/s）；n
2nzh
At,
第一个回波信号和最后一个回波信号之间的完整路径传播次数；厚度，单位为米（m）：
GB/T38897—2020
第一个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差，单位为秒（s）。7.5.3横波声速测量
7.5.3.1通过测量被测试样的厚度和横波在其中的传播时间，获得被测试样的横波声速横波换能器放置于被测试样声波人射面，施加耦合剂，保证良好耦合，调整超声脉冲信号收发7.5.3.2
仪，使底面回波信噪比不低于10dB，调整示波器，获得尽可能多的底面回波信号，如图2所示。7.5.3.3计算第一个回波信号和最后一个回波信号之间的完整路径传播次数n，。测量第一个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差△t，。7.5.3.4
7.5.3.5
按式（2）计算被测试样的横波声速：2n.h
式中：
横波声速，单位为米每秒（m/s）；n
第一个回波信号和最后一个回波信号之间完整路径传播次数；厚度，单位为米（m）；
△t一第一个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差，单位为秒（s）。7.5.4弹性模量和泊松比计算
7.5.4.1
计算方法
.（2)
根据声波传播规律，由待测材料的纵波声速、横波声速和密度，计算得到待测材料的弹性模量和泊松比。
7.5.4.2杨氏模量
按式（3)计算被测试样的杨氏模量：5
GB/T38897—2020
式中：
7.5.4.3
230-40,2
E=po.
02-03
杨氏模量，单位为帕斯卡（Pa）：密度，单位为千克每立方米（kg/m）；横波声速，单位为米每秒（m/s）；纵波声速，单位为米每秒（m/s）。剪切模量
按式(4)计算被测试样的剪切模量：G=pu,?
式中：
剪切模量，单位为帕斯卡（Pa）：密度，单位为千克每立方米（kg/m2）；横波声速，单位为米每秒（m/s）。7.5.4.4泊松比
按式（5)计算被测试样的泊松比：2,3-20
2(0)
式中：
泊松比；
纵波声速，单位为米每秒（m/s）；横波声速，单位为米每秒（m/s）。7.6导波法
7.6.1
检测系统示意图
eei
（3）
（4)
·（5）
导波法通过测量圆形细杆中纵波和扭转波的传播速度获得其弹性模量和泊松比。检测系统如图4所示。
避声换能器
避声脉冲信号收发仪
波导杆
ooooo
示波器
导波法弹性模量和泊松比检测系统示意图图4
7.6.2纵波声速测量
GB/T38897—2020
7.6.2.1通过测量被测试样的长度和纵波在其中的传播时间，获得被测试样的纵波声速。7.6.2.2磁致伸缩波导杆式纵波换能器放置于被测试样声波人射面，采用舒焊法将换能器的波导杆与被测试样焊接在一起，保证良好耦合，调整超声脉冲信号收发仪，使底面回波信噪比不低于10dB，调整示波器，获得尽可能多的底面回波信号，如图3所示。7.6.2.3计算第一个回波信号和最后一个回波信号之间的完整路径传播次数nlgs。7.6.2.4测量第一个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差△/1g。按式（6)计算被测试样材料的纵波声速：7.6.2.5
2nigl
Uig
式中：
Uig
nig
纵波声速，单位为米每秒（m/s）：第一个回波信号和最后一个回波信号之间的完整路径传播次数；—长度，单位为米(m）；
△t—第一个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差，单位为秒(s)。7.6.3扭转波声速测量
7.6.3.1通过测量被测试样的长度和扭转波在其中的传播时间，获得被测试样的扭转波声速·（6)
7.6.3.2磁致伸缩波导杆式扭转波换能器放置于被测试样声波入射面，采用钎焊法将换能器的波导杆与被测试样焊接在一起，保证良好耦合，调整超声脉冲信号收发仪，使底面回波信噪比不低于10dB，调整示波器，获得尽可能多的底面回波信号，如图3所示。7.6.3.3计算第一个回波信号和最后一个回波信号之间的完整路径传播次数n。7.6.3.4测量第一个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差△tm。5按式（7)计算被测试样的扭转波声速：7.6.3.5
2ngl
Uig
式中：
Vig
n t
扭转波声速，单位为米每秒（m/s）：第一个回波信号和最后一个回波信号之间的完整路径传播次数：长度，单位为米（m）；
△一第一个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差，单位为秒（s)。7.6.4弹性模量和泊松比计算
7.6.4.1计算方法
根据声波传播规律·由待测材料的纵波声速、扭转波声速和密度，计算得到待测材料的弹性模量和泊松比。
7.6.4.2
2杨氏模量
按式（8)计算被测试样的杨氏模量：E=puu?
式中：
E--杨氏模量，单位为帕斯卡(Pa)；（8)
GB/T38897—2020
Oig
密度，单位为千克每立方米（kg/m2）；纵波声速，单位为米每秒（m/s）。7.6.4.3
剪切模量
按式（9)计算被测试样的剪切模量：G=pUrg2
式中：
剪切模量，单位为帕斯卡(Pa)；密度，单位为千克每立方米（kg/m）；p
Ux—--扭转波声速，单位为米每秒（m/s)。7.6.4.4泊松比
按式（10)计算被测试样的泊松比：Uig2-2UtR2bZxz.net
20t
式中：
泊松比；
纵波声速，单位为米每秒（m/s）；扭转波声速，单位为米每秒（m/s）。7.7检测步骤
7.7.1
体波法检测步骤
7.7.1.1
7.7.1.2
按7.4调整和设置检测仪器。根据换能器布置方案，纵波换能器稳定耦合在检测位置（9)
.（10)
记录示波器测出的被测试样中第一个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差和完整路径传播次数。
7.7.1.3
根据式（1），计算被测试样的纵波声速。7.7.1.4
采用横波换能器重复7.7.1.1和7.7.1.2，根据式（2），计算被测试样的横波声速。7.7.1.5
根据式（3）、式（4）和式（5），计算被测试样的杨氏模量、剪切模量和泊松比。体波法弹性模量和泊松比测量实例参见附录B。7.7.1.6
导波法检测步骤
7.7.2
7.7.2.1按7.4调整和设置检测仪器。根据换能器布置方案，磁致伸缩波导杆式纵波换能器稳定耦合在圆形截面杆试样一端。
7.7.2.2记录示波器测出的被测试样中第一个回波信号前沿和最后一个回波信号前沿之间的时间差和完整路径传播次数。
7.7.2.3根据式（6)，计算被测试样圆形截面杆内部的纵波声速。7.7.2.4采用磁致伸缩波导杆式扭转波换能器重复7.7.2.1和7.7.2.2，根据式（7），计算被测试样圆形截面杆内部的扭转波声速。
7.7.2.5根据式（8）、式（9）和式（10），计算被测试样的杨氏模量、剪切模量和泊松比。7.7.2.6
导波法弹性模量和泊松比测量实例，参见附录B。8报告
报告应包括且不限于下列内容：8
检测方法；
被测试样的材料；
耦合剂；
超声脉冲信号收发仪器的名称、型号等；超声换能器的类型、尺寸和频率；检测时的环境温度；
被测试样的杨氏模量、剪切模量和泊松比的测量值检测单位、人员和日期。
GB/T38897—2020
小提示：此标准内容仅展示完整标准里的部分截取内容，若需要完整标准请到上方自行免费下载完整标准文档。