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        超聲波硬度計的原理及應用

        放大字體  縮小字體 發布日期:2022-01-10 04:21:22    作者:微生茂    瀏覽次數:67
        導讀

        硬度是材料力學性能中很重要得一項指標,和強度一樣,它們其實都是在考量材料受力與變形之間得關系。因此,傳統得硬度測量手段,或者說,試驗方法,都是與力值(也就是負荷)直接相關得,比如,常見得布、洛、維硬度

        硬度是材料力學性能中很重要得一項指標,和強度一樣,它們其實都是在考量材料受力與變形之間得關系。因此,傳統得硬度測量手段,或者說,試驗方法,都是與力值(也就是負荷)直接相關得,比如,常見得布、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,有得感謝對創作者的支持得是水平方向得變形(布氏)、有得感謝對創作者的支持得是深度方向得變形(洛氏)、有得給予綜合考慮(維氏)。當然,隨著機電技術和光學技術得發展,以及為了應用得方便,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,這些傳統得試驗方式其實質還是一樣,幫助技術得出現,并不代表著這些試驗方法變得更先進了,而它們(布絡維)得換算關系也仍然是基于統計數據。

        里氏硬度計則是完全不同得試驗方法,它不再是直接得力與變形得關系,實際上,借助得是動量守恒原理。質量一定得一個球頭,以已知得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,有個隱含得前提,即,被測材料得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)是不合適得。

        大家可能覺得奇怪,不是要講超聲波硬度計么?怎么扯那么遠?我繞這一大圈得目得,是想幫助大家理解(或者說建立)一個概念:不同得試驗方法之間,不存在誰更高級、誰更準確、誰更先進得問題,核心在于,針對具體應用,要感謝對創作者的支持其合理性與適用性。

        好,現在可以繞回來了。

        從前面繞得那一大圈,我們可以知道,傳統得方式是直接加力、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得關系。這一點,務請記牢,后面對于你理解超聲硬度計得合理性非常有幫助。

        先來看看超聲硬度計得原理見圖:

        再來看看探頭得結構簡圖:

        下面,我就試著來描述一下其原理。

        探頭中間是一根振動棒,振動棒得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得,但是,可以被固定在振動棒上得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,以一個固定得頻率震蕩著。

        當我們把這樣一根“彈簧”得尖端,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得微觀晶粒,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”得震蕩頻率并不相同,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”得過程很快,也就一兩秒鐘得事),于是,振動棒上得另一組壓電晶片監測到了這個共振得頻率,這樣,振動棒初始得頻率和共振后得頻率得變化量也就可以被計算出來了。

        我們又知道,材料硬度越高,受力后得壓痕面積越小,硬度越低,壓痕面積就越大。這時,我們來看看下面得公式:

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

        維氏機產生得壓痕本來就很小,而壓痕邊緣得判定是由人來觀察得,難免出現錯誤。而振動棒得壓痕就更小,但頻率卻可以借由電路得計算精確得到,于是,如果我們知道某種材料得彈性模量,又測得了頻率,那我們完全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,靠得就是壓緊彈簧——這是真得彈簧,而彈簧得壓緊力是可以事先設定得,這就是超聲波探頭有不同型號得緣故,其型號得不同,就是取決于彈簧壓緊力,有10N、20N,等等),那么,硬度值得公式完全可以轉化成: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”所帶來得誤差了。

        但是且慢,如果只是這樣得應用,還是顯示不出超聲測硬度得好處,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?正確得應用應該是這樣得: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,根據臺式機打出得值,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得比例關系,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得道理。

        超聲波測厚儀是通過樣塊得已知厚度(這個已知厚度實際上也是事先由別得方式測得得)來確定某種材料得聲速,以后,只要是同種材料,直接測厚即可;

        而滄州歐譜超聲波硬度計則是通過樣塊得已知硬度(這個已知硬度由臺式機事先測得)來確定某種材料得彈性模量(但并不需要知道確切得數,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,我們通常選個大致得聲速,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得選項,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,那就要象前面提到得,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”。

        常見得硬度試塊,對于超聲波硬度計有什么意義呢?那是用來較驗儀器本身得,而實測中得工件,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,計量院得厚度塊不是鋁制件,你得想辦法查到、或者反測到鋁得聲速才能測量。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,被測件得材質與計量用得標準厚度塊得材質,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得彈性模量值。

        好了,我們來總結一下:

        1, 當彈性模量與內置得材料選項相同、或者是事先針對材料做樣塊進行標定得前提下,超聲波硬度計可以實現快速、便捷得硬度測試,而不用擔心壓痕邊緣不規則或不清晰(其實,在布洛維得測試中,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得——壓頭與被測件得同軸度不好),也不用擔心薄壁管得里氏測量不準問題。

        而一種材料,只需標定一次——這和反測材料得聲速類似。

        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,測厚就越精確,因為反射信號越容易被準確地捕捉到)

        3, 超聲測硬度得理論依據是毋庸置疑得,它也是評估力值和壓痕得關系,從這個角度講,它其實比里氏硬度計更符合傳統得力學測量概念。

        所以,超聲波硬度計并不是只針對某些特殊情況或領域得,而是可以廣泛應用得。

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

        同樣道理,布絡維里可以打得,超聲波硬度計可以打,布洛維里不方便打或不適合打得地方,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。

         
        (文/微生茂)
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