超聲波硬度計的原理及應(yīng)用

  硬度是材料力學(xué)性能中很重要的一項指標(biāo),，和強(qiáng)度一樣，它們其實都是在考量材料受力與變形之間的關(guān)系,。因此，傳統(tǒng)的硬度測量手段,，或者說,，試驗方法，都是與力值（也就是負(fù)荷）直接相關(guān)的,，比如,，常見的布,、洛,、維硬度計，包括韋伯斯特硬度計,、巴氏硬度計,，都是直接將力加載在材料表面，然后觀察變形，只不過,，有的關(guān)注的是水平方向的變形（布氏）,、有的關(guān)注的是深度方向的變形（洛氏）、有的給予綜合考慮（維氏）,。當(dāng)然,，隨著機(jī)電技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及為了應(yīng)用的方便,，于是又出現(xiàn)了電機(jī)加載,、CCD觀察壓痕等等形式。

  但是,，萬變不離其宗,，馬甲再怎么換，這些傳統(tǒng)的試驗方式其實質(zhì)還是一樣,，輔助技術(shù)的出現(xiàn),，并不代表著這些試驗方法變得更先進(jìn)了，而它們（布絡(luò)維）的換算關(guān)系也仍然是基于統(tǒng)計數(shù)據(jù),。

  里氏硬度計則是*不同的試驗方法,，它不再是直接的力與變形的關(guān)系，實際上,，借助的是動量守恒原理,。質(zhì)量一定的一個球頭，以已知的初始速度撞擊材料表面,，獲得一個反彈速度,，人們用這兩個速度之比來表征硬度。這里,，有個隱含的前提,，即，被測材料的質(zhì)量相對于球頭來講,，應(yīng)該要足夠大,，而且微觀上講，不能因撞擊產(chǎn)生振動,。所以,，里氏在測量小工件、薄工件（包括薄壁管）是不合適的,。

大家可能覺得奇怪,，不是要講超聲波硬度計嗎？怎么扯那么遠(yuǎn),？我繞這一大圈的目的,，是想幫助大家理解（或者說建立）一個概念：不同的試驗方法之間，不存在誰更、誰更準(zhǔn)確,、誰更先進(jìn)的問題,，核心在于，針對具體應(yīng)用,，要關(guān)注其合理性與適用性,。

好，現(xiàn)在可以繞回來了,。

  從前面繞的那一大圈,，我們可以知道，傳統(tǒng)的方式是直接加力,、然后觀察壓痕,。除了洛氏是看壓痕深度之外，布氏值和維氏值其實是力值F和壓痕面積d²的關(guān)系,。這一點(diǎn),，務(wù)請記牢，后面對于你理解超聲硬度計的合理性非常有幫助,。

  下面,，我就試著來描述一下其原理。

探頭中間是一根振動棒,，振動棒的下端是一個維氏壓頭,。開機(jī)時，振動棒產(chǎn)生超聲振動,，當(dāng)然,，這個振動你肉眼是觀察不到的，但是,，可以被固定在振動棒上的一組壓電晶片感應(yīng)到,，并由此計算出一個振動頻率。

這時候,，讓我們展開想象,，把這根振動棒看做是一根彈簧，不斷地被壓縮,、然后松開,，也就是說，以一個固定的頻率震蕩著,。

  當(dāng)我們把這樣一根“彈簧”的,，就是那個維氏壓頭，緊緊地壓進(jìn)材料表面,，會出現(xiàn)什么情況呢,？我們知道，材料有彈性模量,，微觀上,，振動棒這個“彈簧”就會把震蕩傳遞給材料的微觀晶粒，于是這些晶粒也開始震蕩,，你同樣可以想象,，這是又一根“彈簧”在震蕩。

剛開始,，這兩根“彈簧”的震蕩頻率并不相同,，但逐漸地，它們會趨于同步,，也就是說兩根“彈簧”連在一起后,，會產(chǎn)生共振，（當(dāng)然,，這個“逐漸地”的過程很快,，也就一兩秒鐘的事），于是,，振動棒上的另一組壓電晶片監(jiān)測到了這個共振的頻率,，這樣，振動棒初始的頻率和共振后的頻率的變化量也就可以被計算出來了,。

我們又知道,，材料硬度越高，受力后的壓痕面積越小,，硬度越低,，壓痕面積就越大。這時,，我們來看看下面的公式：

△f=（Eeff,，A），

式中,，△f代表頻率變化量,，Eeff代表彈性模量，A代表壓痕面積,?！?/font>f=（Eeff，A）,，這個公式表示,，△f與Eeff和A存在可計算的比例關(guān)系。而在前面講過,，硬度值其實也是與力F和壓痕面積A存在可計算的比例關(guān)系,，也就是圖中的HV=F/A,。

維氏機(jī)產(chǎn)生的壓痕本來就很小，而壓痕邊緣的判定是由人來觀察的,，難免出現(xiàn)錯誤,。而振動棒的壓痕就更小，但頻率卻可以借由電路的計算得到,，于是,，如果我們知道某種材料的彈性模量，又測得了頻率,，那我們*可以借助換算關(guān)系用△f與Eeff來表示A,、而不用去測量壓痕直徑。

這樣,，如果力值事先設(shè)定（振動棒壓緊到材料表面,，靠的就是壓緊彈簧——這是真的彈簧，而彈簧的壓緊力是可以事先設(shè)定的,，這就是超聲波探頭有不同型號的緣故,，其型號的不同，就是取決于彈簧壓緊力,，有10N,、20N，等等）,，那么,，硬度值的公式*可以轉(zhuǎn)化成：HV=F/（△f，Eeff）,，你看,，根本不用費(fèi)心去觀察壓痕了、也不用擔(dān)心“壓痕邊緣不清晰”所帶來的誤差了,。

但是且慢,，如果只是這樣的應(yīng)用，還是顯示不出超聲測硬度的好處,，因為,，不同材料，其彈性模量必定有差異,，你得先把彈性模量給測出來——除非你事先知道,。

那么怎么辦？正確的應(yīng)用應(yīng)該是這樣的：一種材料,，應(yīng)事先做一個樣塊,，先用臺式機(jī)打出值，然后,，用超聲波硬度計也打一次值,，根據(jù)臺式機(jī)打出的值,，對超聲波硬度計進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定之后,，只要是同種材料,，就可以直接用超聲波硬度計打值了。

比如,，樣塊值HV1=F/（△f1,，Eeff）,，那么,，只要是同種材料，硬度不同,，HV2=F/（△f2,，Eeff），F和Eeff相同,，只要根據(jù)△f1和△f2的比例關(guān)系,，就可以計算出HV2了。

所以,，可以看出,，超聲波硬度計和超聲波測厚儀是同樣的道理。

超聲波測厚儀是通過樣塊的已知厚度（這個已知厚度實際上也是事先由別的方式測得的）來確定某種材料的聲速,，以后,，只要是同種材料，直接測厚即可,；

而超聲波硬度計則是通過樣塊的已知硬度（這個已知硬度由臺式機(jī)事先測得）來確定某種材料的彈性模量（但并不需要知道確切的數(shù),，這一點(diǎn)，和測聲速有所不同）,，以后,，只要是同種材料，直接打硬度即可,。

超聲波測厚時,，我們通常選個大致的聲速，如果誤差較大,，則會反測聲速,，同樣，超聲波硬度計也事先內(nèi)置了幾種材料的選項,，如果你事先知道被測材料與這些內(nèi)置選項有差異,，或者測值時誤差較大，那就要象前面提到的,，以這種材料做標(biāo)樣,，進(jìn)行標(biāo)定,，其實可以把這個過程理解為“反測彈性模量”。

常見的硬度試塊,，對于超聲波硬度計有什么意義呢,？那是用來較驗儀器本身的，而實測中的工件,，未必與常見試塊相同,，所以，不能說,，在常見試塊上標(biāo)定后就可以直接打?qū)崪y工件了,。

關(guān)于這一點(diǎn)，我們還是借助超聲波測厚儀來理解,。當(dāng)你把超聲波測厚儀接上探頭,，到計量院送檢合格后，你是不是能夠直接去測一個鋁塊,？當(dāng)然不行,，因為，計量院的厚度塊不是鋁制件,，你得想辦法查到,、或者反測到鋁的聲速才能測量。粗晶材料,，你可能還要換探頭,，而換探頭，你還要對探頭零點(diǎn)較一次,，然后才能測量,。只不過，在很多情況下,，被測件的材質(zhì)與計量用的標(biāo)準(zhǔn)厚度塊的材質(zhì),，聲速相差不大，所以拿來就測,，問題也不大,，

同樣，超聲波硬度計也是如此,，只不過,，聲速變成了彈性模量，并且不用記錄出具體的彈性模量值,。

好了,，我們來總結(jié)一下：

1， 當(dāng)彈性模量與內(nèi)置的材料選項相同,、或者是事先針對材料做樣塊進(jìn)行標(biāo)定的前提下,，超聲波硬度計可以實現(xiàn)快速,、便捷的硬度測試，而不用擔(dān)心壓痕邊緣不規(guī)則或不清晰（其實,，在布洛維的測試中,，這種情況并不少見，通常是由于壓頭施力偏心或被測面受力不均引起的——壓頭與被測件的同軸度不好）,，也不用擔(dān)心薄壁管的里氏測量不準(zhǔn)問題,。

而一種材料，只需標(biāo)定一次——這和反測材料的聲速類似,。

2,， 硬度越高，更適用,。因為,，硬度越高意味著兩根“彈簧”更容易達(dá)成“共振”,。（這一點(diǎn)也跟超聲波測厚相似,，晶粒越細(xì)密、排列越密實,，則透聲性就好,，測厚就越，因為反射信號越容易被準(zhǔn)確地捕捉到）

3,， 超聲測硬度的理論依據(jù)是毋庸置疑的,，它也是評估力值和壓痕的關(guān)系，從這個角度講,，它其實比里氏硬度計更符合傳統(tǒng)的力學(xué)測量概念,。

所以，超聲波硬度計并不是只針對某些特殊情況或領(lǐng)域的,，而是可以廣泛應(yīng)用的,。

還是拿超聲波測厚來比照：卡尺能測厚的地方，超聲波測厚儀可以測,，卡尺測不到的地方,，超聲測厚儀也可以測。

同樣道理,，布絡(luò)維里可以打的,，超聲波硬度計可以打，布洛維里不方便打或不適合打的地方,，你都可以想起超聲波硬度計來,。關(guān)鍵是，針對具體應(yīng)用時,，要幫助用戶去判斷其合理性,、適用性,。