超声波硬度计的原理及应用

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Sup 工程与试验 ENGINEERING 8L TEST超声波硬度计的原理及应用何克勤(北京时代之峰科技有限公司，北京 100085)摘 要：传统的布洛维硬度测试不便于现场测量，而里氏硬度又不是力值与变形测量。为了能满足于传统的硬度测试理念(力值与变形的测量)、同时又便于现场应用，采用超声原理，以频率变化代替光学或光栅测量变形，从而实现在现场的真正力学测试。

关键 词 ：硬度 ；力学法 ；回弹法 ；超 声法 ；载荷 ；变形 ；频 率中图分 类号 ：TH87 文献标识 码 ：B doi：10．3969／j．issn．1674—3407．2013．z1．016Principle and Application of Ultrasonic Hardness TesterCalvin He(Beijing TIME High Technology Ltd．Beijing 100085，China)Abstraet：The traditional methods of hardness test with indentation are inconvenient for fieldmeasurement，and Leeb hardness iS not a real mechanics method．Based on ultrasonic，the fre—quency is substituted for optics and grating to measure the deformation with load，it leads to anew method for real mechanics measurement.

Keywords：hardness；mechanics method；rebound method；ultrasonic method；load；deformation；frequency1 前 言硬度是材料力学性能中很重要的一项指标，和强度一样 ，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)，有的对于深度与宽度变形进行综合考虑(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观察压痕等加载与观察的方式。

里 氏硬度计则是完全不同的硬度测试方法 ，已不再是直接的考量力与变形的关系，实际上是借助动量守恒原理 。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，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，里氏硬度计用在测量小工件、薄工件(包括薄壁管)上是不合适的。

上述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。针对具体的应用，应关注其合理性与适用性。

传统 的硬度测试方式是直接加力，然后观察压痕。除了洛氏值是看压痕深度之外，布氏值和维氏值其实是着眼于力值和压痕面积的关系。

2 超声硬度计的原理超声硬度计的原理见图 1，探 头的结构简图见[收稿日期] 2012—12—10[作者简介] 何克勤(1969一)，男，大学本科，研究方向：材料特性与加工结果的无损检测。

· 51 ·工程与试验图 2。

图 1 超声 硬度计的原理压电元件振动棒●一 维氏金刚石压头图 2 探头的结构简 图超声硬度计 的原理 ：探头中间是一根振动棒，振动棒的下端是一个维氏金刚石压头。开机时，振动棒产生超声振动，可以被固定在振动棒上 的一组压电晶片感应到 ，并 由此计算出振动频率。

可 以想像 ：把这根振动棒看做是一根弹簧，弹簧不断地被压缩、然后松开，也就是说 ，弹簧 以一个 固定的频率振动。

把这样一根“弹簧”的尖端(维氏压头)紧紧地压进材料表面，会出现什么情况呢?大家知道 ，材料有弹性模量，微观上，振动棒这个“弹簧”就会把振动传递给材料的微观晶粒 ，于是这些晶粒也开始振动 ，同样可以想象 ，这又是一根“弹簧”在振动。

刚开始，这两根“弹簧”的振动频率并不相同，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 ，也就一两秒钟的时间)，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· 52 ·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。

大家知道 ，材料硬度越高，受力后的压痕面积越小 ，硬度越低 ，压痕面积就越大。观察下面公式 ：Af=f(E f'A)；HV—F／A式中，△f代表频率变化量；E 代表弹性模量；A代表压痕面积；HV代表维氏硬度值；F代表载荷。Af=f(E “，A)这个公式表示，△f与 E。“和 A存在可计算的比例关系。前面已经讲过，硬度值其实也是与力 F和压痕面积 A存在可计算的比例关系，也就是 HV：F／A。

维氏硬度计产生的压痕本来就很小，而压痕边缘的判定是由人来观察的，难免出现误差。而振动棒的压痕就更小，但频率却可以借由电路的计算精确得到，于是，如果知道某种材料的弹性模量，又测得了频率，那完全可以借助换算关系用△f与 E “来表示 A，而不用去测量压痕直径。

这样，如果力值事先设定(振动棒压紧到材料表面，靠的就是压紧弹簧——这是真的弹簧，而弹簧的压紧力是可以事先设定的，这就是超声波探头有不同型号的缘故 ，其型号的不同，就是取决于弹簧压紧力，有 10N、20N，等)，那么，硬度值的公式完全可以转化成 ：HV=F／(△f，E ef{)。这样，就不用费心去观察压痕，也不用担心“压痕边缘不清晰”带来的误差了 。

不同材料，其弹性模量必定有差异，用上式获得硬度值 ，需要先把弹性模量测出来 。

正确的应用应该是：一种材料，应事先做一个样块，先用传统的台式硬度计打出值，然后，用超声波硬度计也打一次值，根据台式机打出的值，对超声波硬度计进行标定。标定之后，只要是同种材料，就可以直接用超声波硬度计测试了。

比如，样块值 HVl—F／(／Xf ，E )，那么，只要是同种材料 ，硬度不 同，HV 一F／(△f ，Eef)，F和E “相同，只要根据△f 和△f2的比例关系，就可以计算出 HV 了。

超声波硬度计和超声波测厚仪是同样的道理。

超声波测厚仪是通过样块的已知厚度(这个已知厚度实际上也是事先 由别的方式测得的)来确定某种材料的声速 ，以后 ，只要是同种材料 ，直接测厚 即可。

而超声波硬度计则是通过样块的已知硬度 (这个已知硬度由台式机事先测得 )来确定某种材料的弹性模量(但并不需要知道确切的数 ，这一点，和测声速有所不同)，以后，只要是同种材料，直接打硬度即可。

何克勤：超声波硬度计的原理及应用超声波测厚时，通常选个大致的声速 ，如果误差较大 ，则会反测声速 。同样 ，超声波硬度计也事先内置了几种材料的选项 ，如果事先知道被测材料 与这些内置选项有差异，或者测值时误差较大 ，那就要象前面提到的，以这种材料做标样 ，进行标定 ，其 实可以把这个过程理解 为“反测弹性模量”。

常见的硬度试块 ，对于超声波硬度计有什 么意义呢?那是用来校验仪器本身的，而实测中的工件，未必与常见试块相同 ，所 以，不能说 ，在常见试块上标定后就可以直接打实测工件 了。

关于这一点，还是借助超声波测厚仪来理解。

当把超声波测厚仪接上探头，到计量院送检合格后，是不是能够直接去测一个铝块?当然不行 ，因为 ，计量院的厚度块不是铝制件，得想办法查到、或者反测到铝的声速才能测量。粗晶材料，可能还要换探头 ，而换探头 ，还要对探头零点校一次 ，然后才能测量。

只不过，在很多情况下 ，被测件的材质与计量用的标准厚度块的材质，声速相差不大，所 以拿来就测 ，问题也不大 。

同样，超声波硬度计也是如此，只不过，声速变成了弹性模量，并且不用记录出具体的弹性模量值。

3 结 论综上所述 ，得出以下结论 ：(1)当弹性模量与超声硬度计内置的材料选项相同、或者是事先针对材料做样 块进行标定 的前提下，超声波硬度计可 以实现快速、便捷 的硬度测试 ，而不用担心压痕边缘不规则或不清晰(其实，在布洛维的测试 中，这种情况并不少见 ，通常是由于压头施力偏心或被测面受力不均引起的——压头与被测件的同轴度不好)，也不用担心薄壁管的里氏测量不准问题 。而一种材料 ，只需标定一次一 一这和反测材料的声速类似。

(2)硬度越高 ，更适用。因为 ，硬度越高意味着两根“弹簧”更容易达成“共振”(这一点也跟超声波测厚相似 ，晶粒越细密 、排列越密实，则透声性就越好，测厚就越精确，因为反射信号越容易被准确地捕捉到)。

(3)超声测硬度的理论依据是毋庸置疑的，它也是评估力值和压痕的关系。从这个角度讲，它其实比里氏硬度计更符合传统的力学测量概念。

所以，超声波硬度计并不是只针对某些特殊情况或领域的 ，而是可以广泛应用的。

还是拿超声波测厚来比照 ：卡尺能测厚的地方，超声波测厚仪可以测 ，卡尺测不到的地方 ，超声测厚仪也可以测。

同样道理 ，布洛维里可以打硬度的材料表面，超声波硬度计可以打硬度，布洛维里氏硬度计不方便打或不适合打的地方，都可以用超声波硬度计来测试。关键是，针对具体应用时，要帮助用户去判断其合理性、适用性 。

参考文献(上接 第 19页 )5 结束语本文对六 自由度焊接机器人提出了两种典型操作运动的功率计算方法。其中，单关节运动形式的典型操作运动的功率计算方法比较简便实用，尤其是在开发阶段，为初步设计选择电机提供了可靠的依据。本公 司开发六 自由度焊接机 器人的实践 证明，该计算方法是可行的，对其它多 自由度机器人机构的设计也有实际参考价值 。

参考文献[1] 蔡 自兴．机器人学(第二版)I-M]．清华大学出版社.

Ee3 刘鸿文．材料力学(第四版)I-M]．高等教育出版社.

[3] 成大先．机械设计手册(第一卷)[M]．化学工业出版社 .

· 53 ·