ICS 19.100 J 04
GB
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 and
Poisson's ratio using ultrasoinc velocity
2020-12-01实施
2020-06-02发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会 发布 GB/T38897—2020
目 次
前言
III
范围规范性引用文件术语和定义人员要求
1
2
3
N
5 方法概要 6 设备
...
检测规程 8报告附录A（资料性附录） 弹性模量和泊松比检测材料附录B（资料性附录） 弹性模量和泊松比测量及不确定度评定实例
7
10
11 GB/T 38897—2020
前言
本标准按照GB/T1.1一2009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。 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、吴玄、付君强
I GB/T38897—2020
无损检测 弹性模量和泊松比的
超声测量方法
1范围
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
2
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
3
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 guided wave 在有界弹性介质中传播的波。
3.3
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 leading edge 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B：、B2、B，和B：是信号前沿；如图1b)所示，双极性检测信号中的点
R1、R2、R：和R：是信号前沿。
1 GB/T388972020
N
R2
Rs
R
B1
Bz2
Bs
3
b）双极性检测信号
a) 半波检波检测信号
图1回波信号前沿示意图
4人员要求
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。
2
SAG GB/T38897—2020
6设备 6.1组成
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：
a） 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。 c） 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10us。 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。
e) 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
生和接收扭转波。 f) 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~
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。
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（声波入射面和反射面）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，平行度在土3以内；两检测表面的表面粗糙度Ra≤3.2uμm。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，杆两端面平行度在土3°以内，圆柱度在0.05mm以内，圆柱表面粗糙度优于3.2μm。 6.3耦合剂
5Z1C
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，可采用钎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
C
超声脉冲信号收发仪
00
00000
回
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纵波声速测量
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入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 GB/T38897—2020
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。
A
激励波
图3回波波形图
7.5.2.4 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△t，。 7.5.2.5 按式（1)计算被测试样的纵波声速：
2n,h At
（1）
U
式中： U 71 h At, 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）。
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；厚度，单位为米（m）；
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。 7.5.3.2 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，。 7.5.3.4 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△t。。 7.5.3.5 按式（2)计算被测试样的横波声速：
2n.h At,
(2)
U, :
式中： U 7 h △t。一一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）。
横波声速，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完整路径传播次数；厚度，单位为米（m）；
-
7.5.4弹性模量和泊松比计算 7.5.4.1计算方法
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 ICS 19.100 J 04
GB
中华人民共和国国家标准
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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 and
Poisson's ratio using ultrasoinc velocity
2020-12-01实施
2020-06-02发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会 发布 GB/T38897—2020
目 次
前言
III
范围规范性引用文件术语和定义人员要求
1
2
3
N
5 方法概要 6 设备
...
检测规程 8报告附录A（资料性附录） 弹性模量和泊松比检测材料附录B（资料性附录） 弹性模量和泊松比测量及不确定度评定实例
7
10
11 GB/T 38897—2020
前言
本标准按照GB/T1.1一2009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。 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、吴玄、付君强
I GB/T38897—2020
无损检测 弹性模量和泊松比的
超声测量方法
1范围
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
2
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
3
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 guided wave 在有界弹性介质中传播的波。
3.3
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 leading edge 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B：、B2、B，和B：是信号前沿；如图1b)所示，双极性检测信号中的点
R1、R2、R：和R：是信号前沿。
1 GB/T388972020
N
R2
Rs
R
B1
Bz2
Bs
3
b）双极性检测信号
a) 半波检波检测信号
图1回波信号前沿示意图
4人员要求
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。
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SAG GB/T38897—2020
6设备 6.1组成
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：
a） 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。 c） 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10us。 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。
e) 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
生和接收扭转波。 f) 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~
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。
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（声波入射面和反射面）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，平行度在土3以内；两检测表面的表面粗糙度Ra≤3.2uμm。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，杆两端面平行度在土3°以内，圆柱度在0.05mm以内，圆柱表面粗糙度优于3.2μm。 6.3耦合剂
5Z1C
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，可采用钎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
C
超声脉冲信号收发仪
00
00000
回
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纵波声速测量
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入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 GB/T38897—2020
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。
A
激励波
图3回波波形图
7.5.2.4 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△t，。 7.5.2.5 按式（1)计算被测试样的纵波声速：
2n,h At
（1）
U
式中： U 71 h At, 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）。
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；厚度，单位为米（m）；
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。 7.5.3.2 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，。 7.5.3.4 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△t。。 7.5.3.5 按式（2)计算被测试样的横波声速：
2n.h At,
(2)
U, :
式中： U 7 h △t。一一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）。
横波声速，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完整路径传播次数；厚度，单位为米（m）；
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7.5.4弹性模量和泊松比计算 7.5.4.1计算方法
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：
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