Experiment Study on Elastic Modulus Measurement

Education Research Frontier December 2015, Volume 5, Issue 4, PP. 109-112

Experiment Study on Elastic Modulus Measurement

——Implementation of students' innovative research project of Shandong University of Science and Technology Yanxia Wang School of Traffic and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, china †

Email: wangyx200@163.com

Abstract In order to improve the quality of undergraduate education and combine theory and practice, Shandong University of science and technology organized innovative research activities project for undergraduates. Combined with the characteristics of engineering mechanics course, teachers of engineering mechanics teaching and research section guided students to take an active part in scientific research and innovation practice teaching, which has obtained a good teaching effect. This paper introduces the concrete implement process of the college students' innovative scientific research project "determination of the elastic modulus ", which measures elastic modulus of ceramics, cast iron, steel by using the electrical measuring method and ultrasonic method. Practice has proved that implement undergraduate innovation research projects can effectively arouse the enthusiasm of students learning, cultivate students' scientific research innovation and analytical abilities to solve practical scientific research problems.

Keywords: Undergraduate; Innovation research; Elasticity modulus; Engineering mechanics; Ultrasonic

测量材料弹性模量的实验探讨 ——山东理工大学大学生创新研究项目的实施 王延遐 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049 摘

要：山东理工大学为了提高大学生培养质量，促进理论教学与科研实践相结合，开展了大学生创新科研项目。工程

力学教研室结合本课程自身特点，引导学生积极参加科研创新实践教学环节，取得了良好的教学效果。本文介绍了在大 学生创新科研项目“材料弹性模量的测定”中，分别利用电测法及超声波法测量陶瓷、铸铁、钢的弹性模量的具体实施 过程。实践证明实施本科生创新科研项目可以有效调动学生学习的积极性，培养学生的科研创新和分析解决实际科研问 题的能力。 关键词：本科生；创新研究；弹性模量；工程力学；超声波

引言 为加强大学生创新意识和实践能力的培养，山东理工大学于 2009 年开始实施大学生创新研究项目，截 止到 2015 年，已经连续开展了七届。实施大学生创新科研项目，引导本科生参与创新科研，不仅能使学生 深入理解所学的基础理论知识，提高实验技能，同时还可以使学生了解学科前沿发展状况，增加学习知识 的兴趣，提高科研工作的兴趣，为学生后续的科研训练打下良好基础。 为了培养大学生的科研意识和动手能力，激发大学生的创新思维，工程力学教研室结合本课程自身特 点，帮助学生申请并完成了大学生创新研究项目“材料弹性模量的测定”。弹性模量是表征材料弹性性能 - 109 www.erfrontier.org

的一个重要力学指标，同时也是构件理论分析和设计计算中需要的重要参数。在目前的《工程力学》课程 学习中，主要是通过电测法测定材料的弹性模量的。但是电测法需要学生先接受基本电测培训，试验周期 长，对学生能力要求高，而且测量一次就消耗一次应变片，耗材投入大。 本文用超声波法测量材料的弹性模量，并与传统的电测法进行了比较。超声波法是通过测定材料的密 度、材料中横波和纵波的传播速度，计算材料的弹性性能指标如剪切弹性模量、杨氏弹性模量以及泊松比 等。该方法无需黏贴应变片，成本低、周期短，还可以多点测量，适合多名学生操作，同时能达到培养学 生独立思考能力及提高学生动手能力的目的。

1 1.1

用超声波法及电测法测量弹性模量的对比实验 用超声波法测量弹性模量的实验 用超声波法测量材料弹性模量的公式如下：   1  = E ρ cT2 3 −  ( cL cT )2 − 1 

(1)

式中 CL 是纵波波速 (m/s)， CT 是横波波速(m/s)， ρ 是材料密度。 测量原理如图 1 所示。

图 1 测量原理示意图

脉冲发生器首先发射一个脉冲波信号（经由电路 1），同时给数值存储示波器一个发射信号（经由电路 6）。发射的脉冲波信号经发射电路 2 传至超声波换能器，此时若为横波探头则会发射超声横波，若是纵波 探头则会发射超声纵波，产生的横波或纵波经耦合剂传递到试件中，并在试件进行多次反射。回波每次反 射到达探头处时，经耦合剂会被传入探头。被接收的底面回波信号会被接收电路（电路 2 和 3）传至放大器， 最终经由电路 4 和 5 将反射脉冲底波传到数值存储示波器上。此时，数值示波器上会呈现出当次发射脉冲波 及其多次底面回波。计算两次回底波之间的时间差，即可得到超声横波或纵波在试件中传播的时间。简言 之就是脉冲发生器发射的一个脉冲信号，在探头处由电能转换为高频机械能，经耦合剂传播到试件中进行 传播、反射、折射、衰减至消亡的过程。

1.2

超声波法及电测法的对比 表 1 莫来石陶瓷材料测定结果 1号

2号

3号

4号

5号

平均值

纵波波速(m/s)

3995

3978

4009

3966

3985

3990

横波波速(m/s)

2489

2488

2487

2487

2488

2493

超声波法测定弹性模量(GPa)

26.85

26.74

26.92

26.65

26.78

26.79

电测法测定弹性模量(GPa)

27.70

28.31

28.35

28.35

29.07

28.16

- 110 www.erfrontier.org

对 5 根莫来石质陶瓷试件分别用超声波法及电测法测定材料的弹性模量，试验结果如表 1 所示。 实验结果显示，用超声波法及电测法分别测定莫来石陶瓷的弹性模量，其数值分别是 27.70MPa 及 28.16MPa。 分别用超声波法及电测法测定了 3 根铸铁材料试件弹性模量，试验结果如表 2 所示： 表 2 铸铁材料测定结果 1号

2号

3号

平均值

纵波波速(m/s)

4438

4829

4168

4478

横波波速(m/s)

2555

2605

2516

2559

弹性模量(GPa)

117.70

126.54

110.61

118.28

电测法测定弹性模量(GPa)

119.40

126.82

110.01

117.41

结 果 表 明 ， 用 超 声 波 法 及 电 测 法 分 别 测 定 铸 铁 材 料 的 弹 性 模 量 ， 其 数 值 分 别 是 118.28MPa 及 117.41MPa。 分别用超声波法及电测法测定了 3 根低碳钢试件的弹性模量，试验结果如表 3 所示： 表 3 低碳钢材料测定结果 1号

2号

3号

平均值

纵波波速(m/s)

5899

6060

5988

5982

横波波速(m/s)

3189

3200

3195

3195

超声波法测定弹性模量(GPa)

206.62

210.08

208.49

208.40

电测法测定弹性模量(GPa)

204.40

212.02

208.46

208.35

结 果 表 明 ， 用 超 声 波 法 及 电 测 法 分 别 测 定 铸 铁 材 料 的 弹 性 模 量 ， 其 数 值 分 别 是 208.40MPa 及 208.35MPa。 分析实验数据，可以看出，超声波法测量的实验数据较为紧凑，而电测法测定弹性模量的值较为分散， 且两组数据平均值之差在 5%以内，因此可利用超声波法测定材料的弹性模量。

2 2.1

大学生创新科研 项目的实施步骤和教学效果 实施步骤 山东理工大学本科生创新科研项目的实施步骤包括： (1)学生以 3～5 人为一组自选导师，然后学生在导师的指导下选定研究课题，撰写立项申请书； (2) 立项申请通过校内专家评审后完成立项，学校给予 800~1000 元人民币的经费资助，先期资助一半，

然后学生开始在导师指导下独立进行创新研究； (3)完成项目中期检查，经检查合格的，下拨资助经费的另一半； (4)完成项目结题报告和研究成果总结，发表研究论文。

2.2

教学效果 大学生创新科研项目的实施取得了良好的教学效果，主要表现： (1)增强学生学习的兴趣和学习积极性，使学生将枯燥的书本知识与科研实践相结合，初步达到“学以

致用”的目的； (2)使学生初步掌握了科研工作的基本实验技能，加深了对科研工作的认识和理解，为后续的科研训练 和本科毕业论文工作打下良好基础； - 111 www.erfrontier.org

(3)加强了教师与学生的联系，使学生在课余时间有更多机会与教师特别是科研成果突 出的教师接触， 有利于“教学相长”。

3

结语 目前所开设的工程力学实验课，由于受到课时的限制，实验项目缺乏光学声学知识。本文开展的超声

波法测量材料的弹性性能，扩展了学生的知识面，提高了学生的学习兴趣和热情。 山东理工大学工程力学教学组始终以培养学生创新能力、提高学生理论结合实际解决实际问题的能力 为主要目标，在理论教学中积极引入实践教学环节，通过实施大学生创新科研项目使学生在深入理解基础 理论知识、初步掌握实验技能的同时，培养和增强创新能力。本论文以“材料弹性模量的测定”项目为例， 说明了项目的实施过程和教学效果。实践证明实施本科生创新科研项目可以有效调动学生学习的积极性， 培养学生的科研创新和分析解决实际科研问题的能力，为后续的教学环节打下坚实的基础。

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【作者简介】 王延遐（1966-），女，汉，工学硕士，教授，研究方向：材料的力学性能及疲劳失效。 Email: wangyx200@163.com

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