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楊氏模量的測定范文第1篇

關(guān)鍵詞：彎曲法；讀數(shù)顯微鏡；SPSS線性估計；不確定度分析；楊氏模量

中圖分類號：04-33 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）33-0126-02

楊氏模量是表征固體材料性質(zhì)的重要物理量[1]，是工程技術(shù)中機械構(gòu)件選材時的重要參數(shù)[2]，也是大學(xué)物理實驗的重要內(nèi)容之一。楊氏模量的測定是大學(xué)物理實驗中的一個重要實驗[3]。在傳統(tǒng)的彎梁法[4]基礎(chǔ)之上，逐步形成了一些新的實驗方法[5-7]，但這些新的實驗方法普遍存在著實驗系統(tǒng)相對復(fù)雜、實驗成本較高的情況，或者易受外界環(huán)境（溫度、濕度、電磁）的影響。因此，高等學(xué)校實驗教材中普遍采用的還是傳統(tǒng)的彎梁法的實驗方法，但由于傳統(tǒng)的彎梁法存在著處理實驗數(shù)據(jù)的方法較為陳舊，實驗結(jié)果使用的是不確定的置信概率較低的現(xiàn)象（68.3%的正態(tài)分布）。為此，引入SPSS[8]曲線估計功能去分析實驗數(shù)據(jù)，試圖減小人為因素和儀器因素帶來的偶然誤差和系統(tǒng)誤差，提高對實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果分析的精度，用置信率為95%的不確定度（七分布）對實驗數(shù)據(jù)及其結(jié)果進行評價，可得到更為合理的實驗結(jié)果。

一、實驗儀器

1.實驗裝置（見圖1）。

2.實驗安裝及調(diào)試。通過底板三個角上的水平調(diào)節(jié)螺絲，用水準器觀察，使底板調(diào)整到水平位置。將橫梁穿入砝碼銅刀口內(nèi)，并安放在兩立柱的正中央位置，使砝碼盤下的限位桿垂直插入限位器內(nèi)，防止砝碼盤的過度擺動。將讀數(shù)顯微鏡安裝在顯微鏡架上，調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡目鏡，直到眼睛觀察鏡內(nèi)的十字線和數(shù)字清晰，同時觀察能否通過讀數(shù)顯微鏡清楚地看到銅刀口上的基線，再轉(zhuǎn)動讀數(shù)旋鈕使刀口的基線與讀數(shù)顯微鏡內(nèi)十字刻線的水平線吻合。調(diào)節(jié)好儀器就可以進行測量，但要注意在加減砝碼時，砝碼輕拿輕放，盡量不要碰到實驗裝置。

二、實驗原理

測量原理。測量原理如圖2所示，將橫梁厚度為x，橫梁寬度為y的銅片放在相距為l的二刀刃上，在梁上l/2處系上質(zhì)量為m的砝碼，使梁彎曲。掛砝碼處由于外力作用而下降的位移變化量為ΔZ。在梁受力彎曲達到平衡時，根據(jù)胡克定律可推演鐵片的楊氏模量，由下式[9]決定：E=■（1），考察（1）式，設(shè)各位移與重力加速度的綜合量δ=■，則（1）式可簡化為m=Eδ （2）。

實驗中，用物理天平測定mi。用米尺測得l，螺旋測微器測得x、y，用讀數(shù)顯微鏡讀取Zi，從而可得系統(tǒng)各長度與重力加速度的綜合量（δi）。應(yīng)用SPSS的曲線估計功能，試圖去分析系統(tǒng)的附加質(zhì)量（mi）與系統(tǒng)各長度與重力加速度的綜合量（δi）之間的線性相關(guān)性，由此標定出鐵片的楊氏模量，并對其不確定度進行估算。

三、對楊氏模量的不確定度分析[10]

若直接測量為a，其不確定度可由A、B類進行評定。測量列平均值的標準偏差為：u■=■ （3）

對于A類分量，實驗中測量次數(shù)為7次，此時測量結(jié)果服從t分布，tp為與一定置信概率相聯(lián)系的置信因子，當p=0.95時，tp=2.45，則：u■=2.34u■ （4），（4）式中的a可以分別表示l、x、y、ΔZ。

對于B類分量，若其誤差極限為Δ，kp為一定置信概率下相應(yīng)分布的置信因子，Δ為儀器精度，C為相應(yīng)分布的置信系數(shù)，若儀器誤差服從均勻分布C=■，當p=0.95時，kp=1.96，那么u■=1.96■ （5），（5）式中的a可以分別表示l、x、y、ΔZ。

直接測量為a的合成不確定度為：

u■=■ （6）

根據(jù)（2）式u■=■，可得E的相對不確定度為：

u■=■■ （7）

四、測量數(shù)據(jù)及線性分析

1.測量數(shù)據(jù)及其結(jié)果。

2.用SPSS分析mi-δi定標曲線。

將表3實驗結(jié)果輸入SPSS軟件中，應(yīng)用SPSS中的線性估計功能，以系統(tǒng)附加砝碼質(zhì)量（mi）為因變量，以各長度和重力加速度的綜合量（δi）為自變量，可得定標曲線方程為：

■ （8）

所得其定標曲線如圖3所示。

五、對楊氏模量不確定度的估算

根據(jù)圖3的m-δ定標曲線，在直線上適當?shù)奈恢萌应?、m1，δ2、m2，合理估算E的不確定度。由（8）式可得：

u■=■ （9）

在圖3上δ1、m1，δ2、m2取值可得：E=■ （10）

由上式可得：u■=■ （11）

由圖3取樣點結(jié)合（9）、（10）、（11）可得楊氏模量的實驗結(jié)果見下表。

從測量原理所得的（2）式可知，只要測量條件允許，理論上，系統(tǒng)附加砝碼質(zhì)量（m）與系統(tǒng)各長度和重力加速度的復(fù)合量（δ）應(yīng)該具有線性關(guān)系，若能從實驗的角度研究出mi-δi的關(guān)系曲線，必然可以證明系統(tǒng)附加砝碼（m）與系統(tǒng)各長度和重力加速度的復(fù)合量（δ）存在線性關(guān)系，從而可以較為直觀地標定出鐵片的楊氏模量，這在彎梁法的測量原理上具有一定的創(chuàng)新性。

由表3實驗數(shù)據(jù)，利用SPSS的曲線估計功能得定標方程（8）式及其圖3的m-δ定標曲線圖。驗證了系統(tǒng)附加砝碼（m）系統(tǒng)各長度與負重的復(fù)合量（δ）具有線性關(guān)系，實驗所得定標方程（8）式及圖3實驗曲線與理論分析的（2）式具有一致性。

由表3數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS線性估計功能得到定標方程（8）式，得到鐵片的楊氏模量為1.88×1011N?m-2，對比通過查看手冊[11]所得鐵片楊氏模量E=1.85×1011N?m-2，二者具有較好吻合度，表明所擬合的m-δ直線是客觀的。

為了能較好的實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)線性分析的合理性。應(yīng)保證銅片盡量平直，實驗選擇最小本底為掛鉤砝碼10kg，負重砝碼（mi）以每組20kg為標準遞增（或遞減），所對應(yīng)的豎直方向上的位移Zi從0.658mm變化到2.054mm，可以推算出位移Zi的變化量ΔZ從0.202mm變化到1.396mm。由圖3可看出表2測量的數(shù)據(jù)可靠性較高，從而使得測量結(jié)果、實驗結(jié)果更為合理。

查手冊的鋼絲的楊氏模量為1.87×1011N?m-2，對照表4所得鐵片楊氏模量的實驗結(jié)果為1.88×1011N?m-2，二者吻合度較高。尤其查看表4中楊氏模量的實驗結(jié)果，由該實驗方案所得楊氏模量的實驗值只在千分位上可疑，而以往采用的實驗方案所得楊氏模量的實驗值一般為十分位或百分位上可疑。表明應(yīng)用SPSS的曲線分析估計標定的楊氏模量，是可以顯著提高測量數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果的分析精度，且數(shù)據(jù)的處理過程及結(jié)果較為直觀有效。因此，該實驗方案具有一定的推廣價值。

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楊氏模量的測定范文第2篇

關(guān)鍵詞：信息融合；教學(xué)模型；效果

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）29-6591-04

本人在大學(xué)物理實驗中心做實驗教師多年，這為信息融合教學(xué)模型的實施提供了支持。因條件有限，為檢驗新模型和傳統(tǒng)模型的效果差異，我只選擇了一個大學(xué)物理實驗項目——《楊氏模量的測量》，作為研究對象，分析運用信息融合教學(xué)模型和運用傳統(tǒng)教學(xué)模型的實施效果。

1 《楊氏模量的測量》實驗的課程描述

1.1 課程開展說明

《楊氏模量的測量》是一個比較復(fù)雜的實驗，要求學(xué)生要有細心觀察能力、獨立操作儀器的能力和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的能力。這些都是大學(xué)物理實驗課程開設(shè)的對學(xué)生要求的必須達到的能力目標，是一個工科類學(xué)生必修的實驗項目。本學(xué)期《楊氏模量的測量》課開設(shè)的時間是：2013 年 3 月 8 號至 5 月 30 號，總共是 8 周 24節(jié)課。實驗班級一個，人數(shù)43人，首先，我將該班分成4個組，實驗項目和其他3個實驗項目同時輪流進行，其中，兩個組為實驗組，運用信息融合教學(xué)模型，剩下兩個組運用傳統(tǒng)教學(xué)模型，主要以楊氏模量的測量為觀測點。

1.2 教學(xué)方法與手段

在實驗組，采用了信息融合學(xué)習模型，來增強學(xué)生接受能力、操作能力，挖掘并激發(fā)學(xué)生的潛能[1]。首先，利用學(xué)院的網(wǎng)站資源，把《楊氏模量的測量》相關(guān)的儀器介紹，原理說明，操作流程已經(jīng)實驗注意事項的視頻資料，放到網(wǎng)站上，要求每個學(xué)生在課前必須預(yù)習觀看。同時，在網(wǎng)站上還有很多該實驗的背景資料，同學(xué)們可以隨時隨地瀏覽獲取課外的擴展知識。平時，老師和學(xué)生可以利用現(xiàn)代通訊設(shè)施（微博、QQ等）進行互動，讓他們隨時討論《楊氏模量的測量》實驗課程的相關(guān)問題，這樣可以了解更多楊氏模量的測量方法及其前景應(yīng)用的知識，把大學(xué)物理實驗的教學(xué)從過去的傳統(tǒng)課堂延伸到豐富多彩的課外，從而，也促使學(xué)生學(xué)習目的發(fā)生變化，不再是為了來修學(xué)分，應(yīng)付考試。培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習興趣，獨立思考能力、動手能力和想象能力[2]。

2 課程設(shè)計與實施的過程

2.1 《楊氏模量的測量》內(nèi)容分析

在對《楊氏模量的測量》實驗課程的初步分析后，下面對實驗課程內(nèi)容進行說明，詳見表1。

（2）學(xué)會《楊氏模量的測定》的儀器操作規(guī)范。

（3）理解《楊氏模量的測量》實驗的基本原理。

（4）通過拉伸法測楊氏模量，熟悉數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。＼&課程分析＼&學(xué)習本實驗課程的學(xué)生，主要是在校大學(xué)生，他們來自不同的地域，在高中學(xué)習物理的基礎(chǔ)各不相同，各自的學(xué)習能力及個性都存在差別，而且，對信息技術(shù)的掌握也有很大的差異，來自經(jīng)濟發(fā)達的地方明顯比經(jīng)濟落后的地方的學(xué)生掌握的更多更好。但是，經(jīng)過大一一個學(xué)年的學(xué)習，對于物理基礎(chǔ)實驗，信息技術(shù)基礎(chǔ)知識，掌握都有較大的提升，大部分同學(xué)對本實驗的開展，障礙都不大 [3]。＼&教學(xué)方式＼&自學(xué)、課堂講授、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習。＼&學(xué)習活動＼&預(yù)習并做預(yù)習報告、資料收集、討論交流、自主學(xué)習、協(xié)作學(xué)習、課堂講授、問題解決、思考作業(yè)等。＼&學(xué)習資源 ＼&自編教材《大學(xué)物理實驗教程》；視頻資料；網(wǎng)絡(luò)資料。＼&]

2.2 《楊氏模量的測量》課程教學(xué)目標

根據(jù)信息融合教學(xué)模型要求，制定教學(xué)目標（如表 2 所示）：

2.3 《楊氏模量的測量》活動設(shè)計

根據(jù)信息融合學(xué)習的理論基礎(chǔ)，針對《楊氏模量的測量》實驗課程的內(nèi)容，筆者對信息融合學(xué)習活動進行了設(shè)計，具體設(shè)計詳見圖1 所示。

2.4 《楊氏模量的測量》實驗的學(xué)習支持

本實驗的學(xué)習支持，主要是大學(xué)生物理實驗中心的實踐教學(xué)網(wǎng)和海量互聯(lián)網(wǎng)資源。在課前，要求學(xué)生瀏覽學(xué)院實驗中心的網(wǎng)站，并觀看《楊氏模量的測量》的相關(guān)教學(xué)視頻，同時，通過互聯(lián)網(wǎng)，查閱實驗相關(guān)的資料，了解本實驗課程的大量背景知識。

在正式課堂教學(xué)時，老師先收取學(xué)生預(yù)習報告，并提問學(xué)生，檢查是否達到要求。在實驗教學(xué)過程中，首先，對實驗原理做簡要說明，然后對測量過程進行講解，重點突出實驗的注意事項，儀器調(diào)整的步驟，和關(guān)鍵環(huán)節(jié)；其次，跟蹤學(xué)生實驗過程，發(fā)現(xiàn)學(xué)生出現(xiàn)的誤操作和不明白的地方，提供適當幫助。當然，教師要盡量少參與學(xué)生的實驗過程，鼓勵學(xué)生多獨立思考，培養(yǎng)獨立解決問題的能力。楊氏模量的測量實驗過程繁瑣，步驟多，需要學(xué)生有耐心地學(xué)習與操作，鼓勵學(xué)生，增前自信，相信自己能順利把實驗完成。

在課后，要求老師及時和同學(xué)們交流，這可以充分利用信息技術(shù)的優(yōu)點，運用QQ、微博和E-mail等形式與學(xué)生互動，利用這些工具可以及時了解學(xué)生實驗后，對知識的掌握程度，了解學(xué)生作業(yè)情況，還可以進行課后答疑等。同時，還可以啟發(fā)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)進一步學(xué)習楊氏模量的測量的最新進展以及應(yīng)用情況等[4]。

2.5 教學(xué)評價

《楊氏模量的測量》教學(xué)評價，從以下幾方面來開展：

1）實驗的預(yù)習情況。

2）實驗過程，學(xué)生紀律，操作規(guī)范和數(shù)據(jù)收集合理性。

3）實驗報告完成情況，數(shù)據(jù)處理是否正確。

4）實驗效果分析。

3 實驗的效果分析

在信息融合學(xué)習課程實施結(jié)束后，我對學(xué)生學(xué)習情況進行了全面的調(diào)查分析，把實驗組和傳統(tǒng)組的學(xué)生對照分析，發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)生在諸多方面存在差別。

3.1學(xué)生對學(xué)習課程的滿意度顯著提高

我們發(fā)現(xiàn)，實驗組學(xué)生對學(xué)習的課程滿意度顯著提高，說明信息融合學(xué)習模型的實施是有效的。傳統(tǒng)組學(xué)生比較對照組后，我們可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)組學(xué)生對學(xué)習過的課程滿意度無明顯變化。

在實驗課程結(jié)束后，采用自編的里克特量五點問卷對學(xué)生進行測量。主要針對學(xué)生的創(chuàng)新能力、學(xué)習認可、研究能力、與人溝通能力、總結(jié)歸納能力等情況進行測查。

表3是實驗組與傳統(tǒng)組學(xué)生對課程實施后的滿意度評估結(jié)果。實驗組的總體評價為 3.68，顯著超過平均水平，說明新方法的實施情況是非常有效的，但在創(chuàng)新能力條目上的得分為 2.12，略低于平均水平，分析原因，可能是因為本次研究的時間較短，課程實施只有 8 周時間，而創(chuàng)新能力的提高不是一蹴而就的，需要長期的積累，或許課程實施時間的增強，可能會繼續(xù)提高，而傳統(tǒng)組的總體評價為2.53，顯著低于平均水平，說明傳統(tǒng)方法不適合當前學(xué)生的學(xué)習，經(jīng)過統(tǒng)計檢驗發(fā)現(xiàn)，實驗組與傳統(tǒng)組之間存在差異，而且差異非常顯著[5]。

3.2 知識和操作能力有顯著提高

實驗組學(xué)生不但能夠很好地掌握課程的基礎(chǔ)知識、很好地完成作業(yè)，而且會利用互聯(lián)網(wǎng)資源擴展知識進行深入學(xué)習，能夠順利地運用知識解決問題，實驗操作能力有顯著提高，明顯達到了新教學(xué)模型實施之前的理想標準，而傳統(tǒng)組學(xué)生在基礎(chǔ)知識理解、擴大知識與實驗?zāi)芰Ψ矫娴男Ч焕硐隱5]。

3.3自學(xué)能力有了明顯的提高

自學(xué)方面，老師可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺，指導(dǎo)學(xué)習在線學(xué)習，擴張了學(xué)習的時空范圍，有效提升了學(xué)生的自學(xué)能力。訪談?wù){(diào)查發(fā)現(xiàn)，實驗組學(xué)生的自主學(xué)習能力都較高水平，說明實驗組學(xué)生的自主學(xué)習能力得到了提高，而傳統(tǒng)組學(xué)生的自主學(xué)習能力沒有顯著影響。

3.4互相協(xié)作學(xué)習的能力提高顯著

信息融合學(xué)習模型中互相協(xié)作學(xué)習能力是其要求達到的教學(xué)目標之一，學(xué)習效果的進步快慢，互相協(xié)作學(xué)習是十分重要的促進手段，需要得到不斷加強。調(diào)查說明，實驗組學(xué)生的互相協(xié)作學(xué)習能力的總體水平較高；傳統(tǒng)組學(xué)生的互相協(xié)作學(xué)習能力的總體存在不足，說明學(xué)生的這兩方面的能力存在較大的差異。

3.5 新教學(xué)模型實施效果的總體評價

在實驗組中，學(xué)生對教學(xué)的各個方面比較認同，如：學(xué)習模式、總結(jié)歸納能力、溝通能力以及研究能力，這從表3.1中的數(shù)據(jù)也可以反映出來，這幾項指標均高于平均值。而在傳統(tǒng)組中，從表3.1中反映各種指標均不理想，集中反映了傳統(tǒng)教學(xué)模型認可度較低，有較大的提升空間。

3.6新教學(xué)模型實施后的實驗成績比較

總成績=課前預(yù)習*20%+課堂表現(xiàn)*10%+實驗報告*30%+期末考試*40%，其中期末考試是采用抽簽的方式抽取一個實驗，把整個實驗過程完整地操作一遍。結(jié)果，實驗組的總平均成績是86.58，傳統(tǒng)組的總平均成績是74.31，經(jīng)統(tǒng)計檢驗發(fā)現(xiàn)，實驗組與傳統(tǒng)組的期末總平均成績存在差異，而且差異非常顯著，說明在大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)中，信息融合學(xué)習模式比傳統(tǒng)方式優(yōu)越。

參考文獻：

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楊氏模量的測定范文第3篇

關(guān)鍵詞：工科院校；物理實驗；教學(xué)分析

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0254-02

隨著科技發(fā)展，社會對大學(xué)生的需求也相應(yīng)地轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)應(yīng)用型人才，高校對大學(xué)生的培養(yǎng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用型人才的培養(yǎng)模式。高校開設(shè)實驗與實踐課程，主要培養(yǎng)和提升學(xué)生的動手能力、探究能力與創(chuàng)新能力。

大學(xué)物理實驗是學(xué)生在高校首先接觸到的實踐課程，被作為基礎(chǔ)必修課，是大學(xué)生鍛煉能力的敲門磚，起到關(guān)鍵性的引導(dǎo)作用。通過完成一定數(shù)量的實驗，學(xué)生能掌握物理實驗基本知識，學(xué)會一些物理量的常用測量方法、常用儀器使用方法和原理，培養(yǎng)和提高學(xué)生的動手能力，學(xué)會用實驗去觀察、分析、研究物理現(xiàn)象和物理規(guī)律并加深對理論知識的理解，學(xué)會對實驗數(shù)據(jù)的處理及誤差分析，養(yǎng)成良好的實驗習慣和嚴謹?shù)目茖W(xué)作風，為后續(xù)的實驗課程打好基礎(chǔ)。

對此，很多高校注重物理實驗，采取許多措施，注重物理實驗從演示型實驗轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍浴⒃O(shè)計性實驗。但從目前學(xué)生的狀況來看，教學(xué)實踐中會忽視一些問題。

一、被忽略的問題

1.忽略學(xué)生的理論基礎(chǔ)是否牢固。我們往往強調(diào)物理學(xué)從本質(zhì)上說是一門實驗科學(xué)，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和理論的建立必須以嚴格的物理實驗為基礎(chǔ)，受到實驗的檢驗，強調(diào)實驗的重要性。實驗固然重要，通過實驗，我們可以發(fā)現(xiàn)全新領(lǐng)域，開拓新的篇章，但我們?nèi)菀缀雎砸胪ㄟ^實驗達到新的領(lǐng)域，必須有一定的基礎(chǔ)知識。如果沒有扎實的基礎(chǔ)知識，只是一味地做實驗，想必不會發(fā)現(xiàn)其中的奧妙。畢竟，大學(xué)生初步接觸物理，不像研究者那樣發(fā)現(xiàn)新規(guī)律或現(xiàn)象，而是先來學(xué)習已經(jīng)知道的知識，在此基礎(chǔ)上，對問題進行研究。例如，沒有學(xué)過電磁波，打電話時不會發(fā)現(xiàn)電磁波的存在；沒有學(xué)過干涉現(xiàn)象，對陽光下肥皂泡沫上的美麗圖案，不會明白它是有規(guī)律可循的。

2.忽略培養(yǎng)學(xué)生基本的實驗習慣和素養(yǎng)。物理實驗是大學(xué)生首先接觸的實驗課程，物理教師對學(xué)生實驗習慣的培養(yǎng)起到關(guān)鍵作用，如果起初沒有養(yǎng)成習慣，學(xué)生容易形成對實驗不重視的態(tài)度，課前不預(yù)習，課堂走過場，課后不認真處理報告等，后來想根本糾正會比較困難。不良習慣已經(jīng)養(yǎng)成，在專業(yè)領(lǐng)域是一個致命傷。尤其對工科院校的學(xué)生來說，優(yōu)良習慣尤為重要。比如，工科院校制冷專業(yè)、建筑專業(yè)、汽車專業(yè)、機械專業(yè)，沒有在設(shè)計或?qū)嶒瀸嵺`中養(yǎng)成良好的習慣修養(yǎng)，在以后的工作中，可能會因一個小數(shù)點，造成無法估量的損失。

3.忽略學(xué)生的整體水平。對物理實驗的課程內(nèi)容設(shè)計，尤為重要。在這一這方面，在現(xiàn)今講究效率的時代，大家往往要求的是時效，應(yīng)用型人才更被重視，看重的是培養(yǎng)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力。但在教學(xué)改革時，我們?nèi)菀缀雎圆煌盒５膶W(xué)生，整體水平是不一樣的。探究性、設(shè)計性實驗，要在學(xué)生擁有一定的基礎(chǔ)實驗?zāi)芰突A(chǔ)知識的基礎(chǔ)上才能進行操作。

4.在實驗考核過程中，忽略考核的正式性。目前，實際操作環(huán)節(jié)采取抽簽方式進行考核。考核過程中，有些教師僅注重學(xué)生最終測量結(jié)果，往往忽略過程中的細節(jié)問題。比如，在做拉伸法測定金屬絲楊氏模量實驗中，往往忽略楊氏模量測定儀水平調(diào)整，忽略此實驗中的測量數(shù)據(jù)是不是和要求的對象相符合。例如，測量D時，實際表示是望遠鏡的標尺到平面鏡的垂直距離，但有的學(xué)生在考核中測量的對象是望遠鏡鏡頭到平面鏡的垂直距離。這些細節(jié)，在重視測量結(jié)果中不會被發(fā)現(xiàn)。

二、采取的措施

針對這些問題，在開設(shè)物理實驗課時，應(yīng)引起重視，采取相應(yīng)措施，讓學(xué)生真正地從物理實驗課有所收獲。

1.當前學(xué)習認知比重大于探究。學(xué)生要先學(xué)習已有物理知識，然后再進行物理實驗。大學(xué)生處在認知時代而不是探索時代，要先學(xué)好已有知識，打好堅實理論基礎(chǔ)，再進行物理實驗，效果會事半功倍。比如，規(guī)則形狀物體的密度測量實驗，需要學(xué)生首先了解相關(guān)理論知識ρ=■、體積計算知識，然后才能進行相關(guān)實驗測量。在牛頓環(huán)的實驗中，學(xué)生如果之前在理論上沒有了解干涉現(xiàn)象、等厚干涉，想必對牛頓環(huán)現(xiàn)象及牛頓環(huán)儀的應(yīng)用也不會有很深刻的理解。所以，對高校學(xué)生來說，要給予了解與重視。對大學(xué)物理實驗，打好物理基礎(chǔ)知識，尤為重要。

2.大學(xué)物理實驗課的要求和注意事項要明確。對實驗的相關(guān)章程和注意事項，要重點強調(diào)，可引起學(xué)生注意。每堂實驗課要針對相應(yīng)基本要求和注意事項進行嚴肅強調(diào)，循序漸進地引導(dǎo)，讓學(xué)生在教師的潛移默化中養(yǎng)成良好的習慣。

大學(xué)物理實驗的基本要求是：

（1）能夠完成預(yù)習，進行實驗和撰寫報告等主要實驗程序。

（2）能夠調(diào)整常用實驗裝置，基本掌握常用的操作技術(shù)。例如：零位調(diào)整；水平、鉛直調(diào)整；光路的共軸調(diào)整；根據(jù)給定的電路圖正確接線等。

（3）了解物理實驗中常用的實驗方法和測量方法。例如：比較、平衡和干涉等方法。

（4）能夠進行常用物理量的一般測量。例如：長度、質(zhì)量、時間、熱量、溫度、電流強度等。

（5）了解常用儀器的性能，學(xué)會使用方法。例如：測長儀器、變阻器、直流電表、通用示波器、低頻信號發(fā)生器、常用電源和常用光源等。

（6）了解測量誤差的基本知識，具有正確處理數(shù)據(jù)的初步能力。其中包括：測量誤差的基本概念；直接測量量的誤差計算；數(shù)據(jù)處理的一些基本方法。

（7）實驗過程中要愛護儀器，謹記注意事項，實驗結(jié)束后要排好儀器。這一點，在目前的大學(xué)物理實驗中，學(xué)生的重視度不夠。例如，在拉伸法測定金屬絲楊氏模量實驗時，要用到螺旋測微計來測量金屬絲的直徑d，教師在講解中強調(diào)螺旋測微計精度很高，如果直接旋轉(zhuǎn)微分筒壓被測物體，物體容易變形，造成誤差，所以當旋轉(zhuǎn)微分筒剛接觸被測物體時，改用棘輪轉(zhuǎn)動。當剛聽到棘輪發(fā)出咔咔聲時，表明物體被剛好壓住，既不松也不緊，應(yīng)開始測量。如再接著旋緊，會造成測微螺旋與被測物體受損。但在實驗過程中，經(jīng)常能聽到螺旋測微計發(fā)出連續(xù)的咔咔聲，表明學(xué)生對此要求重視度不夠，沒有養(yǎng)成良好的習慣。

因此，大學(xué)物理實驗中，每做一個實驗，教師都應(yīng)反復(fù)、詳細而嚴肅地說明與強調(diào)，增強學(xué)生的重視度，養(yǎng)成良好的實驗習慣，逐步形成求實、嚴謹?shù)膽B(tài)度。

3.大學(xué)物理實驗大多開設(shè)在大一下學(xué)期或大二上學(xué)期，此階段學(xué)生對知識的掌握還不夠熟練與靈活。因此，對大學(xué)生而言，更容易接受測量性實驗、驗證性實驗。所以，在物理實驗內(nèi)容設(shè)計上，要有層次性。例如，對于拉伸法測定金屬絲的楊氏模量實驗、三線擺測定剛體的轉(zhuǎn)動慣量的實驗，學(xué)生更容易接受。通過開設(shè)這些實驗，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)物理實驗是比較容易做的，愿意學(xué)習。如果我們只注重探索性能力和創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)，設(shè)計的實驗難度較大，如分光計實驗，學(xué)生不明白偏向角測量及相應(yīng)原理，會覺得物理實驗難度大，不能理解，對物理實驗課積極性不高，興趣被削弱，主動性變差，實驗課就只是在走過場，就談不上提升學(xué)生的探索、創(chuàng)新能力了。

為了避免這種情況的發(fā)生，設(shè)計實驗時應(yīng)遵循如下比例，比例設(shè)計得好，會引起學(xué)生興趣，他們自然會表露出求知欲、探索欲，在無形中完成思考與創(chuàng)新。從調(diào)查情況來看，學(xué)生希望實驗開設(shè)比例如表1所示。

4.大學(xué)物理實際操作采用具體提問環(huán)節(jié)，使考試正式化，讓學(xué)生重視操作過程，而不是走形式。在實際考核中，應(yīng)每人一組，限定時間考核，操作實驗結(jié)束后，教師在觀察的基礎(chǔ)上，對具體操作進行提問，根據(jù)學(xué)生回答的項目點給予相應(yīng)分數(shù)。在物理實驗開課初期，教師應(yīng)告知學(xué)生這種操作考核方式，提升學(xué)生對實驗課的重視度，督促養(yǎng)成良好習慣。

三、結(jié)束語

大學(xué)物理實驗課程的開設(shè)，使學(xué)生對理論知識有了進一步的深刻理解與認識。在開設(shè)過程中，重視細節(jié)設(shè)計，重視學(xué)生處于基礎(chǔ)層面的狀態(tài)，采取相應(yīng)措施，設(shè)計合理內(nèi)容，讓學(xué)生在扎實的基礎(chǔ)功下，循序漸進、潛移默化地在大學(xué)物理實驗課上培養(yǎng)好的習慣與素養(yǎng)，從而培養(yǎng)啟發(fā)、探索、創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]劉勇.物理實驗教學(xué)淺談[J].考試周刊，2008，48（214）.

楊氏模量的測定范文第4篇

關(guān)鍵詞：剪切波彈性成像；甲狀腺結(jié)節(jié)；超聲

臨床上甲狀腺結(jié)節(jié)越來越常見，通過超聲檢查獲得的甲狀腺結(jié)節(jié)的患病率為20%～76%。但是，其中惡性病變僅占結(jié)節(jié)性病變的9.2%～14.8%[1]。我們常規(guī)超聲檢查依據(jù)的TI-RADS診斷標準進行分類，發(fā)現(xiàn)TI-RADS 4級的結(jié)節(jié)數(shù)量較多，達不到很好的指導(dǎo)臨床效果。實時剪切波彈性成像 （shear wave elastography，SWE）通過測量剪切波在組織內(nèi)的傳播速度計算彈性模量值，能定量評價結(jié)節(jié)的硬度，為我們判斷結(jié)節(jié)性質(zhì)提供了一種新的技術(shù)。

1 資料與方法

1.1一般資料 2015年2月～2016年1月在核工業(yè)四一六醫(yī)院經(jīng)超聲檢查發(fā)現(xiàn)的甲狀腺實性結(jié)節(jié)，并且經(jīng)超聲引導(dǎo)下穿刺活檢或手術(shù)病理證實的患者69例，其中女41例，男28例，年齡16～69歲。

1.2方法 使用法國Supersonic imagine公司推出的 Aicplorer 型實時剪切波彈性成像超聲診斷儀，配置有L4-15線陣探頭，頻率 4～15MHz。患者仰臥位，充分暴露頸部，于病灶皮膚處涂抹適當厚度耦合劑，輕置探頭，盡量不施壓，選定取樣框，覆蓋病灶，待圖像穩(wěn)定后定幀、存儲，凍結(jié)圖像時囑患者屏氣，靜置圖像不低于3s。每個結(jié)節(jié)做出三個SWE圖像。彩色量程圖標顯示的單位為kPa，默認量程為0～180kPa。取三次Emean的平均值并記錄。

1.3統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS18.0統(tǒng)計軟件，計量資料（Emean）以（x±s）表示， 良、惡性結(jié)節(jié)的彈性模量值比較采用t檢驗，P

2 結(jié)果

2.1病理結(jié)果 69個甲狀腺結(jié)節(jié)中，良性結(jié)節(jié)44個（甲狀腺腺瘤17個，結(jié)節(jié)性甲狀腺腫27個）惡性結(jié)節(jié)25個（狀癌23例，髓樣癌2例）

2.2良惡性結(jié)節(jié)的平均彈性模量值Emean的比較 惡性結(jié)節(jié)的彈性平均值（Emean）為（89.4±69.1）kPa，良性結(jié)節(jié)彈性平均值（Emean）為（24.2±13.1）kPa。良性結(jié)節(jié)的Emean低于惡性結(jié)節(jié)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P

3 討論

SWE的基本原理是采用探頭發(fā)射安全的聲輻射脈沖，在組織內(nèi)連續(xù)聚焦引起組織微粒振動并產(chǎn)生橫向剪切波，可對被檢測組織的剪切波速度（shear wave velocity，SWV）進行精確的定量測量，從而實現(xiàn)掃查切面內(nèi)剪切波傳播過程的實時準確監(jiān)測；彈性模量值的計算公式為 E=3×組織密度×剪切波速度？即得到組織彈性的絕對值，實現(xiàn)定量分析[2]。同時對SWV進行彩色編碼疊加于二維解剖圖像上，從而形成活體組織的實時剪切波速度圖。不僅實現(xiàn)了聲波下的觸診，而且是目前唯一能測定表示組織絕對硬度--楊氏模量值的系統(tǒng)，具有客觀、重復(fù)性好、受操作者影響小等優(yōu)點[3]。生物組織的彈性（或硬度）與病灶的生物學(xué)特性緊密相關(guān)，通常病理情況下組織的彈性（或硬度）會發(fā)生改變，如惡性病變常導(dǎo)致彈性特性的改變，組織硬度相應(yīng)增加，彈性系數(shù)增大，其原因主要是惡性病灶主要有堅硬的病變組織組成，且呈浸潤性生長，邊緣呈星狀或蟹足狀，與周圍組織相粘連。

在依據(jù)TI-RADS診斷標準進行分級時，我們依據(jù)結(jié)節(jié)的邊界、形態(tài)、回聲及有無砂礫樣鈣化來進行判斷。其中邊界是否清楚、形態(tài)是否規(guī)整與操作醫(yī)生的個人感覺及對機器的調(diào)節(jié)有關(guān)，回聲低的程度及鈣化是否粗大也存在著一定的主觀因素，因此，TI-RADS分級的精確程度而SWE可以定量分析，來對甲狀腺結(jié)節(jié)的良惡性進行提示。本研究結(jié)果顯示，良性病灶的彈性模量明顯低于惡性病灶，與國內(nèi)外研究一致[4]。

綜上所述，實時剪切波彈性成像在對甲狀腺實性結(jié)節(jié)良惡性判定上是一種可靠的方法，通過對硬度的判斷，可以對TI-RADS分級進行補充，對4級結(jié)節(jié)進行重新分類，更好的指導(dǎo)臨床，值的我們在工作中去推廣應(yīng)用，降低一些不必要的穿刺、手術(shù)，給臨床治療方式的選擇提供進一步的參考。

參考文獻：

[1]C.Oliver， F.Sebag. What is the contribution of elastography to thyroidnodules evaluation？ Annales d，Endocrinologie， 2011（72）：120- 124.

[2]湯喬穎，鄧又斌，劉琨，等.實時剪切波彈性成像測量豬離體心臟心肌剪切模量[J].中華超聲影像學(xué)雜志，2012，21（8）：708-710.

楊氏模量的測定范文第5篇

在制備涂層的材料熔融、沉積過程中，由于粉末顆粒本身的淬火應(yīng)力、其對已沉積涂層的沖擊應(yīng)力以及涂層與基體材料在熱-機械性能方面差異造成的失配應(yīng)變和熱梯度效應(yīng)，某些情況下還有后續(xù)加工和服役環(huán)境的作用，都會使涂層內(nèi)不可避免地出現(xiàn)或大或小的殘余應(yīng)力。已有研究表明，殘余應(yīng)力的大小和分布嚴重影響著涂層零件整個體系的主要性能，如基體疲勞壽命、涂層結(jié)合強度、耐剝落以及硬度、耐磨、抗熱沖擊、熱循環(huán)疲勞等性能，導(dǎo)致涂層開裂、翹起、剝落和分層，因此殘余應(yīng)力對涂層質(zhì)量、使用性能、涂層構(gòu)件精度和尺寸穩(wěn)定性等都有重要影響，甚至導(dǎo)致涂層零件過早失效。

理論認為當殘余應(yīng)力超過涂層彈性極限時，拉伸應(yīng)力會在垂直方向?qū)е峦繉娱_裂；一定的壓應(yīng)力是有利的，因其能使涂層裂紋閉合，改善疲勞性能，但壓應(yīng)力過大會導(dǎo)致涂層粘附性失效。在實際涂層生產(chǎn)中，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其影響非常復(fù)雜。對于熱噴涂涂層，其殘余應(yīng)力與噴涂氣體流速、基體溫度、涂層/基體體系的溫度梯度、涂層材料性能、送粉速率、零件尺寸和幾何形狀、夾具、冷卻、噴槍相對于零件的表面速率、走槍路徑、涂層與基體厚度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等諸多因素密切相關(guān)。

基體預(yù)處理、涂層后續(xù)加工及其服役工況對殘余應(yīng)力也有很大影響。例如表面粗糙化預(yù)處理可以提高界面結(jié)合強度，然而粗糙界面復(fù)雜形貌容易出現(xiàn)垂直于界面的殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致涂層破裂和剝離。精密磨削時，砂輪磨粒鈍化導(dǎo)致小平面磨鈍，使磨粒產(chǎn)生垂直于涂層表面的作用力，該力和摩擦力同時對涂層表面產(chǎn)生擠光作用，使涂層表面形成壓應(yīng)力。砂輪黏結(jié)劑對殘余應(yīng)力也有影響。

殘余應(yīng)力還與涂層零件的結(jié)構(gòu)和噴涂區(qū)域有關(guān)。圓周噴涂的軸類零件或環(huán)形件，涂層結(jié)合強度足夠大時，涂層破壞以開裂形式為主，其裂紋走向為圓周方向，也有軸向裂紋擴展的現(xiàn)象。小型零件內(nèi)孔表面噴涂涂層，在噴涂、加工或試車考核等階段都會出現(xiàn)整體涂層剝落的嚴重質(zhì)量問題。對于薄壁件，涂層應(yīng)力導(dǎo)致零件變形，對涂層零件尺寸精度造成影響，嚴重時會使零件超差報廢。

機械式應(yīng)力檢測技術(shù)

（1）曲率檢測技術(shù)

曲率檢測技術(shù)的優(yōu)點是試驗設(shè)備簡單，可以直接測定涂層殘余應(yīng)力，其原理是在基體上生成涂層時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致曲率變化，通過曲率變化可以計算殘余應(yīng)力大小，一般采用Stoney方程計算殘余應(yīng)力。Stoney方程的優(yōu)點在于只使用基體彈性模量，不使用涂層彈性模量，從而解決了涂層彈性模量受各種噴涂參數(shù)的影響而比較難以準確測量的問題。Gill和Clyne對曲率法做了較大改進，其一是將攝像進行曲率遠程監(jiān)測的方法用于真空等離子噴涂涂層的過程控制；其二是開發(fā)出數(shù)值計算程序，可以對不同曲率形狀產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進行計算，并區(qū)分噴涂粉末顆粒淬火應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的失配應(yīng)力。

曲率檢測技術(shù)可以分作接觸和非接觸兩種方法。接觸方法主要有應(yīng)變儀和輪廓測定法，非接觸方法主要有光學(xué)、激光掃描、柵格和雙晶衍射拓撲法。應(yīng)變儀法就是用電阻應(yīng)變片測量噴涂前后試樣的曲率變化，通過曲率變化計算涂層殘余應(yīng)力分布及大小。將試樣制備成窄條狀，以避免產(chǎn)生多軸向曲率和力學(xué)不穩(wěn)定性。但是如果涂層相對基體過薄就不能反映出正應(yīng)力的變化梯度，因此該方法主要適用于比較薄基體表面涂層的情況。

曲率法測試的結(jié)果是平均應(yīng)力，精度比較低（±30MPa），只能粗略測量厚度方向的平均殘余應(yīng)力，并且對試樣形狀和尺寸限制很嚴。如果可以對基體表面涂層進行逐層剝離測量，則可以測定整個涂層厚度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力詳細數(shù)據(jù)，但是對于多層或者較厚的涂層則非常困難。另外單純使用傳統(tǒng)曲率檢測技術(shù)時，難于測量小曲率試樣，需要對測量技術(shù)和計算方法進行改進。

（2）鉆孔檢測技術(shù)

又稱盲孔法和套孔法，是目前應(yīng)用廣泛的涂層面內(nèi)殘余應(yīng)力測量方法。鉆孔檢測的原理是將特制箔式應(yīng)變花粘貼在涂層表面上，在應(yīng)變花中心鉆一直徑和深度接近的小孔，產(chǎn)生局部應(yīng)力釋放，釋放的應(yīng)變可由連接各個應(yīng)變片的應(yīng)變儀測讀出來。通過修正的Kirsch彈性力學(xué)公式則可得到在孔深范圍內(nèi)的平均主應(yīng)力和主應(yīng)力方向角，反映厚度大于0.3mm涂層的各向異性。該技術(shù)測量手段簡單，成本低，測量精度高，已成為一種標準測試方法并在工程實際中廣泛采用。美國ASTM E 837《鉆孔應(yīng)變儀測量殘余應(yīng)力》標準規(guī)定了殘余應(yīng)力測試方法、要求及其相應(yīng)的鉆孔程序。

鉆孔檢測技術(shù)的缺點是被測涂層表面遭到鉆孔破壞，且鉆孔常引起材料損傷和屈服，改變局部應(yīng)力狀態(tài)，另外涂層去除均勻困難，以至于影響殘余應(yīng)力的測量效果。

（3）逐層剝離檢測技術(shù)

該方法是先在方形試片上噴涂涂層，然后對在涂層拋光剝離前、數(shù)次剝離過程和剝離后的試樣進行應(yīng)變測量得到涂層的殘余應(yīng)力。美國金屬學(xué)會（ASM）所屬的熱噴涂學(xué)會負責編制了《逐層剝離修正法評價熱噴涂涂層殘余應(yīng)力》作為噴涂行業(yè)使用的涂層機械性能測試標準。該文件給出了試樣制備、需要的設(shè)備、使用應(yīng)變規(guī)的程序、逐層磨除涂層的程序以及為了計算殘余應(yīng)力而進行數(shù)據(jù)處理的方法。

光學(xué)式應(yīng)力檢測技術(shù)

（1）X射線衍射檢測技術(shù)

X射線衍射法“sin2ψ”是測定涂層殘余應(yīng)力最可靠和最實用的一種檢測方法。自1971年美國汽車工程師學(xué)會頒布X射線衍射殘余應(yīng)力測定的行業(yè)標準SAE J784a-1971“Residential Stress Measurement by X-Ray Diffraction”和1973年日本材料學(xué)會頒布國家標準JSMS-SD-10-1973“Standard Method for X-ray Stress Measurement”以來，作為一種無損檢測技術(shù)，測定殘余應(yīng)力的X射線衍射檢測技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，技術(shù)手段也日漸成熟。為反映最新的技術(shù)進步和成熟的測定方法，歐盟標準委員會（CEN）于2008年7月批準使用新的X射線衍射殘余應(yīng)力測定標準EN 15305-2008“Non-destructive Testing： Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction”， 該標準于2009年2月底在所有歐盟成員國正式實施。與之相呼應(yīng)，美國試驗材料學(xué)會（ASTM）也2010年7月了最新X射線衍射殘余應(yīng)力測定標準ASTM E915-2010“Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement”。EN 15305-2008歐盟標準對涂層材料和薄層等被測材料的特性進行了詳細說明。

我國在1987年和實施《X射線應(yīng)力測定方法》（GB/T 7704-1987）標準，2009年則實施《無損檢測 X射線應(yīng)力測定方法》（GB/T 7704-2008）新標準，但該標準沒有針對涂層特殊結(jié)構(gòu)材料測定殘余應(yīng)力的相關(guān)規(guī)定，而在國外，X射線衍射技術(shù)在上世紀80年代初就被用于噴涂涂層殘余應(yīng)力的檢測。

X射線衍射測量應(yīng)力的基本原理是由于殘余應(yīng)力的存在引起晶格畸變，使得晶格常數(shù)發(fā)生變化，根據(jù)Bragg衍射公式確定涂層材料的晶面間距后，再通過材料的彈性特征參數(shù)按下列方程式求得殘余應(yīng)力：

式中，E為涂層材料的楊氏模量，ε是涂層應(yīng)變，ν為泊松比，d0和d分別為理想態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的晶面間距。

X射線衍射檢測技術(shù)對涂層表面應(yīng)力敏感，是一種無損的測試方法，對試樣尺寸和形狀要求不嚴格，且可以直接對零件測量，加上測量手段簡單，準確度較高，因此在熱噴涂涂層研制和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。其獨到之處是能夠同時測量涂層中不同相的殘余應(yīng)力，如WC-Co涂層表面應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且涂層中各相的殘余應(yīng)力水平及狀態(tài)不同，WC和W2C相為壓應(yīng)力，且W2C相殘余壓應(yīng)力水平大于WC相；而CO6W6C相則表現(xiàn)為拉應(yīng)力。使用掠入射XRD方法還可以測量薄涂層或者厚涂層表面淺層的應(yīng)力，即其檢測深度可以為1μm的薄層。

XRD方法一般適用于具有良好晶體結(jié)構(gòu)的材料，當晶粒尺寸很小時會導(dǎo)致衍射峰值變寬，影響測試結(jié)果精度。EN 15305-2008歐盟標準對涂層材料和薄層特性的說明認為，在測試薄層時可能會遇到衍射強度低和/或晶粒數(shù)量不足、由多層材料導(dǎo)致的額外衍射、與基體材料的衍射峰重疊、陡的應(yīng)力梯度以及強烈的結(jié)構(gòu)等問題，同時涂層材料的X射線彈性常數(shù)值可能會與大塊材料不同。另外由于X射線的穿透能力較低，測量深度一般約為10～50微米，因此僅能測試樣品表面較薄一層的殘余應(yīng)力，涂層增厚會造成測試結(jié)果誤差。

（2）中子衍射檢測技術(shù)

該技術(shù)是以中子流為入射束，照射涂層表面產(chǎn)生衍射峰。其原理與X射線衍射基本相同，即根據(jù)衍射峰位置的變化，利用布拉格方程式計算晶格應(yīng)變量并算出殘余應(yīng)力值。與X衍射相比，中子衍射檢測技術(shù)由于中子穿透的深度較大，可測量涂層深處的殘余應(yīng)力，在一定程度上彌補了X射線衍射穿透能力的不足。然而由于中子射線散射強度較低，收集信息速率慢，另外可利用的中子源較少，這些不利因素成為中子衍射檢測技術(shù)在涂層殘余應(yīng)力研究中應(yīng)用的障礙。

（3）散斑干涉檢測技術(shù)

散斑干涉記錄隨機分布的散斑場，定量分析散斑場的變化。要求被測量的物體表面是漫反射表面。相干光照射到漫反射表面后的反射光干涉形成散斑，記錄散斑場就可得出位移的變化值。Habib利用錯位散斑干涉檢測技術(shù)測量了溫度變化造成金屬與涂層之間變形的差異。

（4）光激發(fā)熒光譜（PLPS）技術(shù)

光激發(fā)熒光譜技術(shù)是利用Al2O3內(nèi)痕量Cr3+在光激發(fā)態(tài)的d3電子衰減發(fā)出熒光，這種譜線稱為光激發(fā)熒光譜。不同的Al2O3相結(jié)構(gòu)，其Cr3+離子占據(jù)的空間位置不同，相應(yīng)的熒光譜線也不同，d3電子衰減發(fā)出的熒光產(chǎn)生雙峰型特征熒光譜R1和R2，在無應(yīng)力狀態(tài)下其頻率位置分別為14402和14432cm-1。熱生長α-Al2O3膜中存在應(yīng)力會造成譜線頻率位置的偏移，根據(jù)這些偏移值可以計算膜內(nèi)應(yīng)力。該技術(shù)的優(yōu)勢在于其分辨率高，缺點是只能測量含有Cr3+涂層或區(qū)域的殘余應(yīng)力。

（5）顯微喇曼光譜技術(shù)

采用幾微米的激光束作為激發(fā)源，可以測量殘余應(yīng)力的微觀分布。其物理原理是，單色光束照射固體時，光子與物質(zhì)分子相互碰撞引起光的散射。喇曼散射線與入射線波長稍有不同，波長短于入射線者稱為反斯托克斯線，反之為斯托克斯線，其中發(fā)生非彈性碰撞而散射的光束經(jīng)分光后形成了喇曼光譜，這是含有物質(zhì)特征信息的光譜。如果物體存在應(yīng)力，喇曼光譜中某些對應(yīng)力敏感的譜帶會產(chǎn)生移動。當物質(zhì)受壓應(yīng)力作用時，譜帶會向高頻方向移動，受拉應(yīng)力作用時譜帶向低頻方向移動，且頻率改變與所受的應(yīng)力呈正比關(guān)系。

試驗中通常以激光光束為激勵光源，采用顯微光學(xué)系統(tǒng)對喇曼光譜進行觀察，因此又稱為顯微激光喇曼光譜檢測技術(shù)。該檢測方法的空間分辨率可達到幾個微米，檢測范圍僅是被測對象表面及其以下約50納米的范圍，檢測精度非常高，適用于較薄的涂層。但是激光會導(dǎo)致涂層表面溫度升高，因此要求被測涂層具有一定的耐熱性能。

模擬計算技術(shù)

隨著計算機計算能力的不斷增強，數(shù)字模型，包括有限元模型，成為一種日益強大、有效且成本較低的模擬噴涂過程中涂層溫度和應(yīng)變衍生過程的計算工具。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離散為有限個單元，并在每一個單元中設(shè)定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作是在節(jié)點處相連接的單元集合體；將場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)近似插值來表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律；利用力學(xué)變分原理來建立求解方程，以將一個連續(xù)域中的無限自由度問題化為離散域中的有限自由度問題來分析。ABACUS是HKS公司開發(fā)的一套功能強大的有限元工程模擬軟件，被認為是功能最強的非線性CAE軟件，它擁有豐富的單元庫和與之相應(yīng)的材料模型庫，可以解決從相對簡單的線性分析到極富挑戰(zhàn)性的非線性模擬等多種問題，基本可以模擬計算任意實際形狀、多種材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等方面的問題。在國外已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軍事、土木工程、材料加工等各個行業(yè)。另一種使用廣泛的有限元計算軟件為ANSYS模擬軟件。

有文獻描述了噴涂態(tài)涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的幾種模型。在有限元模擬多層涂層系統(tǒng)時，需要有正確的材料數(shù)據(jù)、多層及其界面的幾何界面模型、足夠的網(wǎng)格單元以及不同試驗條件下的邊界假設(shè)。對于熱障涂層，將熱生長氧化物、陶瓷面層及基體層視為彈性和黏性材料，黏結(jié)層則為彈性和黏性-塑性材料。其材料物理數(shù)據(jù)包括面層、熱生長氧化物、粘結(jié)層和基體的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和柏松比及其蠕變變形參數(shù)，另外還要具備不同溫度下的黏結(jié)層應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)。在上述工作基礎(chǔ)上，給出熱載荷及邊界條件，進行網(wǎng)格及其構(gòu)成元素設(shè)計。

有限元法還可以對噴涂粉末顆粒沉積過程進行模擬計算，揭示表面粗糙度、溫度等關(guān)鍵因素對涂層殘余應(yīng)力影響的熱-機械變化過程。已有的有限元模型計算結(jié)果表明，在涂層厚度方向內(nèi)存在應(yīng)力梯度，即從涂層表面向內(nèi)殘余應(yīng)力逐漸演變?yōu)槊鎯?nèi)壓應(yīng)力。基體溫度對應(yīng)力影響明顯，噴涂過程中基體溫度升高，面層內(nèi)殘余應(yīng)力會從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變。另外，殘余應(yīng)力與涂層熱歷史密切相關(guān)，在涂層體系熱循環(huán)過程中，由于陶瓷層顯微裂紋萌生和合金黏結(jié)層蠕變作用，殘余應(yīng)力高溫松弛，則在涂層體系冷卻到室溫過程中，因為基體與陶瓷層熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致面內(nèi)二維壓應(yīng)力增加。

作者簡介

袁福河，研究員級高級工程師，中航工業(yè)一級專家，現(xiàn)在中航工業(yè)黎明從事航空發(fā)動機涂層噴涂和物理氣相沉積涂層技術(shù)的工程應(yīng)用工作；

王少剛，研究員級高級工程師，現(xiàn)為中航工業(yè)黎明副總經(jīng)理，總工程師，主持和管理航空發(fā)動機制造技術(shù)工程應(yīng)用方面的工作；