MIC10超声波硬度计的原理及应用1

                                                               


硬度是材料力学性能中很重要的一项指标，和强度一样，它们其实都是在考量材料受力与变形之间的关系。因此，传统的硬度测量手段，或者说，试验方法，都是与力值（也就是负荷）直接相关的，比如，常见的布、洛、维硬度计，包括韦伯斯特硬度计、巴氏硬度计，都是直接将力加载在材料表面，然后观察变形，只不过，有的关注的是水平方向的变形（布氏）、有的关注的是深度方向的变形（洛氏）、有的给予综合考虑（维氏）。当然，随着机电技术和光学技术的发展，以及为了应用的方便，于是又出现了电机加载、CCD观察压痕等等形式。
 
但是，万变不离其宗，马甲再怎么换，这些传统的试验方式其实质还是一样，辅助技术的出现，并不代表着这些试验方法变得更先进了，而它们（布络维）的换算关系也仍然是基于统计数据。
 
里氏硬度计则是完全不同的试验方法，它不再是直接的力与变形的关系，实际上，借助的是动量守恒原理。质量一定的一个球头，以已知的初始速度撞击材料表面，获得一个反弹速度，人们用这两个速度之比来表征硬度。这里，有个隐含的前提，即，被测材料的质量相对于球头来讲，应该要足够大，而且微观上讲，不能因撞击产生振动。所以，里氏在测量小工件、薄工件（包括薄壁管）是不合适的。
 
大家可能觉得奇怪，不是要讲超声波硬度计吗？怎么扯那么远？我绕这一大圈的目的，是想帮助大家理解（或者说建立）一个概念：不同的试验方法之间，不存在谁更高级、谁更准确、谁更先进的问题，核心在于，针对具体应用，要关注其合理性与适用性。
 
好，现在可以绕回来了。
 
从前面绕的那一大圈，我们可以知道，传统的方式是直接加力、然后观察压痕。除了洛氏是看压痕深度之外，布氏值和维氏值其实是力值F和压痕面积d²的关系。这一点，务请记牢，后面对于你理解超声硬度计的合理性非常有帮助。

先来看看超声硬度计的原理见图：
 
 


再来看看探头的结构简图：

下面，我就试着来描述一下其原理。
 
探头中间是一根振动棒，振动棒的下端是一个维氏压头。开机时，振动棒产生超声振动，当然，这个振动你肉眼是观察不到的，但是，可以被固定在振动棒上的一组压电晶片感应到，并由此计算出一个振动频率。
 
这时候，让我们展开想象，把这根振动棒看做是一根弹簧，不断地被压缩、然后松开，也就是说，以一个固定的频率震荡着。
 
当我们把这样一根“弹簧”的尖端，就是那个维氏压头，紧紧地压进材料表面，会出现什么情况呢？我们知道，材料有弹性模量，微观上，振动棒这个“弹簧”就会把震荡传递给材料的微观晶粒，于是这些晶粒也开始震荡，你同样可以想象，这是又一根“弹簧”在震荡。
 
刚开始，这两根“弹簧”的震荡频率并不相同，但逐渐地，它们会趋于同步，也就是说两根“弹簧”连在一起后，会产生共振，（当然，这个“逐渐地”的过程很快，也就一两秒钟的事），于是，振动棒上的另一组压电晶片监测到了这个共振的频率，这样，振动棒初始的频率和共振后的频率的变化量也就可以被计算出来了。