超聲波硬度計的原理及應用

超聲波硬度計的原理及應用

  硬度是材料力學性能中很重要的一項指標，和強度一樣，它們其實都是在考量材料受力與變形之間的關系。因此，傳統的硬度測量手段，或者說，試驗方法，都是與力值（也就是負荷）直接相關的，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，有的關注的是水平方向的變形（布氏）、有的關注的是深度方向的變形（洛氏）、有的給予綜合考慮（維氏）。當然，隨著機電技術和光學技術的發展，以及為了應用的方便，于是又出現了電機加載、CCD觀察壓痕等等形式。

  但是，萬變不離其宗，馬甲再怎么換，這些傳統的試驗方式其實質還是一樣，輔助技術的出現，并不代表著這些試驗方法變得更先進了，而它們（布絡維）的換算關系也仍然是基于統計數據。

  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系，實際上，借助的是動量守恒原理。質量一定的一個球頭，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，被測材料的質量相對于球頭來講，應該要足夠大，而且微觀上講，不能因撞擊產生振動。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？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、誰更準確、誰更先進的問題，核心在于，針對具體應用，要關注其合理性與適用性。

好，現在可以繞回來了。

  從前面繞的那一大圈，我們可以知道，傳統的方式是直接加力、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的關系。這一點，務請記牢，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。開機時，振動棒產生超聲振動，當然，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。

  當我們把這樣一根“彈簧”的，就是那個維氏壓頭，緊緊地壓進材料表面，會出現什么情況呢？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，會產生共振，（當然，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。△f=（Eeff，A），這個公式表示，△f與Eeff和A存在可計算的比例關系。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系，也就是圖中的HV=F/A。

維氏機產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*可以轉化成：HV=F/（△f，Eeff），你看，根本不用費心去觀察壓痕了、也不用擔心“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？正確的應用應該是這樣的：一種材料，應事先做一個樣塊，先用臺式機打出值，然后，用超聲波硬度計也打一次值，根據臺式機打出的值，對超聲波硬度計進行標定，標定之后，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△f1和△f2的比例關系，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，這一點，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置了幾種材料的選項，如果你事先知道被測材料與這些內置選項有差異，或者測值時誤差較大，那就要象前面提到的，以這種材料做標樣，進行標定，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，在常見試塊上標定后就可以直接打實測工件了。

關于這一點，我們還是借助超聲波測厚儀來理解。當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，你還要對探頭零點較一次，然后才能測量。只不過，在很多情況下，被測件的材質與計量用的標準厚度塊的材質，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，我們來總結一下：

1， 當彈性模量與內置的材料選項相同、或者是事先針對材料做樣塊進行標定的前提下，超聲波硬度計可以實現快速、便捷的硬度測試，而不用擔心壓痕邊緣不規則或不清晰（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），也不用擔心薄壁管的里氏測量不準問題。

而一種材料，只需標定一次——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”更容易達成“共振”。（這一點也跟超聲波測厚相似，晶粒越細密、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確地捕捉到）

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

所以，超聲波硬度計并不是只針對某些特殊情況或領域的，而是可以廣泛應用的。

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。關鍵是，針對具體應用時，要幫助用戶去判斷其合理性、適用性。