超聲波硬度計(jì)的原理及應(yīng)用

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)則是完全不同的試驗(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(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，不存在誰更高級、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(shí)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(jì)的合理性非常有幫助。先來看看超聲硬度計(jì)的原理見圖：再來看看探頭的結(jié)構(gòu)簡圖：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(gè)維氏壓頭。開機(jī)時(shí)，振動棒產(chǎn)生超聲振動，當(dāng)然，這個(gè)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(jì)算出一個(gè)振動頻率。這時(shí)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(gè)固定的頻率震蕩著。當(dāng)我們把這樣一根“彈簧”的尖端，就是那個(gè)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(gè)“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(gè)“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(gè)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(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：式中，△f代表頻率變化量，Eeff代表彈性模量，A代表壓痕面積?！鱢=（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。而振動棒的壓痕就更小，但頻率卻可以借由電路的計(jì)算精確得到，于是，如果我們知道某種材料的彈性模量，又測得了頻率，那我們完全可以借助換算關(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，硬度值的公式完全可以轉(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?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)臺式機(jī)打出的值，對超聲波硬度計(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(xiàn)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(gè)已知厚度實(shí)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(jì)則是通過樣塊的已知硬度（這個(gè)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(shí)，我們通常選個(gè)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(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材料與這些內(nèi)置選項(xiàng)有差異，或者測值時(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“反測彈性模量”。常見的硬度試塊，對于超聲波硬度計(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(jì)量院送檢合格后，你是不是能夠直接去測一個(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(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，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：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。硬度越高，更適用。因?yàn)?，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(shí)，則透聲性就好，測厚就越精確，因?yàn)榉瓷湫盘栐饺菀妆粶?zhǔn)確地捕捉到）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(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)測量概念。所以，超聲波硬度計(jì)并不是只針對某