超聲波硬度計(jì)的原理及應(yīng)用

  硬度是材料力學(xué)性能中很重要的一項(xiàng)指標(biāo),，和強(qiáng)度一樣,，它們其實(shí)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(cè)量手段,，或者說,，試驗(yàn)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(jì),，包括韋伯斯特硬度計(jì)、巴氏硬度計(jì),，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(yàn)方式其實(shí)質(zhì)還是一樣，輔助技術(shù)的出現(xiàn),，并不代表著這些試驗(yàn)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(jì)數(shù)據(jù)。

  里氏硬度計(jì)則是*不同的試驗(yàn)方法,，它不再是直接的力與變形的關(guān)系,，實(shí)際上，借助的是動(dòng)量守恒原理,。質(zhì)量一定的一個(gè)球頭,，以已知的初始速度撞擊材料表面，獲得一個(gè)反彈速度,，人們用這兩個(gè)速度之比來表征硬度,。這里，有個(gè)隱含的前提,，即,，被測(cè)材料的質(zhì)量相對(duì)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(dòng)。所以,，里氏在測(cè)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(jì)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(gè)概念：不同的試驗(yàn)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(duì)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(shí)是力值F和壓痕面積d²的關(guān)系,。這一點(diǎn),，務(wù)請(qǐng)記牢，后面對(duì)于你理解超聲硬度計(jì)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(dòng)棒,，振動(dòng)棒的下端是一個(gè)維氏壓頭,。開機(jī)時(shí)，振動(dòng)棒產(chǎn)生超聲振動(dòng),，當(dāng)然,，這個(gè)振動(dòng)你肉眼是觀察不到的，但是,，可以被固定在振動(dòng)棒上的一組壓電晶片感應(yīng)到,，并由此計(jì)算出一個(gè)振動(dòng)頻率。

這時(shí)候,，讓我們展開想象,，把這根振動(dòng)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(gè)固定的頻率震蕩著,。

  當(dāng)我們把這樣一根“彈簧”的,，就是那個(gè)維氏壓頭，緊緊地壓進(jìn)材料表面,，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢,？我們知道，材料有彈性模量,，微觀上,，振動(dòng)棒這個(gè)“彈簧”就會(huì)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(huì)趨于同步，也就是說兩根“彈簧”連在一起后,，會(huì)產(chǎn)生共振,，（當(dāng)然，這個(gè)“逐漸地”的過程很快,，也就一兩秒鐘的事）,，于是，振動(dòng)棒上的另一組壓電晶片監(jiān)測(cè)到了這個(gè)共振的頻率,，這樣,，振動(dòng)棒初始的頻率和共振后的頻率的變化量也就可以被計(jì)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(shí)，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(gè)公式表示,，△f與Eeff和A存在可計(jì)算的比例關(guān)系,。而在前面講過，硬度值其實(shí)也是與力F和壓痕面積A存在可計(jì)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(cuò)誤,。而振動(dòng)棒的壓痕就更小，但頻率卻可以借由電路的計(jì)算得到，于是,，如果我們知道某種材料的彈性模量,，又測(cè)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(cè)量壓痕直徑,。

這樣，如果力值事先設(shè)定（振動(dòng)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(hào)的緣故,，其型號(hào)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(cè)硬度的好處,，因?yàn)?，不同材料，其彈性模量必定有差異,，你得先把彈性模量給測(cè)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(gè)樣塊,，先用臺(tái)式機(jī)打出值，然后,，用超聲波硬度計(jì)也打一次值,，根據(jù)臺(tái)式機(jī)打出的值，對(duì)超聲波硬度計(jì)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(jì)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(jì)算出HV2了,。

所以，可以看出,，超聲波硬度計(jì)和超聲波測(cè)厚儀是同樣的道理,。

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

而超聲波硬度計(jì)則是通過樣塊的已知硬度（這個(gè)已知硬度由臺(tái)式機(jī)事先測(cè)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(cè)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(cè)厚時(shí),，我們通常選個(gè)大致的聲速,，如果誤差較大，則會(huì)反測(cè)聲速,，同樣,，超聲波硬度計(jì)也事先內(nèi)置了幾種材料的選項(xiàng)，如果你事先知道被測(cè)材料與這些內(nèi)置選項(xiàng)有差異,，或者測(cè)值時(shí)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(shí)可以把這個(gè)過程理解為“反測(cè)彈性模量”。

常見的硬度試塊,，對(duì)于超聲波硬度計(jì)有什么意義呢,？那是用來較驗(yàn)儀器本身的,，而實(shí)測(cè)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(cè)工件了,。

關(guān)于這一點(diǎn),，我們還是借助超聲波測(cè)厚儀來理解。當(dāng)你把超聲波測(cè)厚儀接上探頭,，到計(jì)量院送檢合格后,，你是不是能夠直接去測(cè)一個(gè)鋁塊？當(dāng)然不行,，因?yàn)?，?jì)量院的厚度塊不是鋁制件，你得想辦法查到,、或者反測(cè)到鋁的聲速才能測(cè)量,。粗晶材料，你可能還要換探頭,，而換探頭，你還要對(duì)探頭零點(diǎn)較一次,，然后才能測(cè)量,。只不過，在很多情況下,，被測(cè)件的材質(zhì)與計(jì)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(cè),，問題也不大,，

同樣，超聲波硬度計(jì)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(xiàng)相同,、或者是事先針對(duì)材料做樣塊進(jìn)行標(biāo)定的前提下,，超聲波硬度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)快速、便捷的硬度測(cè)試,，而不用擔(dān)心壓痕邊緣不規(guī)則或不清晰（其實(shí),，在布洛維的測(cè)試中,，這種情況并不少見，通常是由于壓頭施力偏心或被測(cè)面受力不均引起的——壓頭與被測(cè)件的同軸度不好）,，也不用擔(dān)心薄壁管的里氏測(cè)量不準(zhǔn)問題,。

而一種材料，只需標(biāo)定一次——這和反測(cè)材料的聲速類似,。

2,， 硬度越高，更適用,。因?yàn)?，硬度越高意味著兩?ldquo;彈簧”更容易達(dá)成“共振”。（這一點(diǎn)也跟超聲波測(cè)厚相似,，晶粒越細(xì)密,、排列越密實(shí)，則透聲性就好,，測(cè)厚就越,，因?yàn)榉瓷湫盘?hào)越容易被準(zhǔn)確地捕捉到）

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

所以,，超聲波硬度計(jì)并不是只針對(duì)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(cè)厚來比照：卡尺能測(cè)厚的地方,，超聲波測(cè)厚儀可以測(cè)，卡尺測(cè)不到的地方,，超聲測(cè)厚儀也可以測(cè),。

同樣道理，布絡(luò)維里可以打的,，超聲波硬度計(jì)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(jì)來,。關(guān)鍵是,，針對(duì)具體應(yīng)用時(shí)，要幫助用戶去判斷其合理性,、適用性,。