上海千实精密机电有限公司：超声波硬度计的原理

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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、谁更准确、谁更的问题，核心在于，针对具体应用，要关注其合理性与适用性。
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。
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，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。
我们又知道，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。这时，我们来看看下面的公式： 式中，△f代表频率变化量，Eeff代表弹性模量，A代表压痕面积。△f=(Eeff，A)，这个公式表示，△f与Eeff和A存在可计算的比例关系。而在前面讲过，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，也就是图中的HV=F/A。
维氏机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，难免出现错误。而振动棒的压痕就更小，但频率却可以借由电路的计算得到，于是，如果我们知道某种材料的弹性模量，又测得了频率，那我们完全可以借助换算关系用△f与Eeff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，等等)，那么，硬度值的公式完全可以转化成：HV=F/(△f，Eeff)，你看，根本不用费心去观察压痕了、也不用担心“压痕边缘不清晰”所带来的误差了。
但是且慢，如果只是这样的应用，还是显示不出超声测硬度的好处，因为，不同材料，其弹性模量必定有差异，你得先把弹性模量给测出来——除非你事先知道。 那么怎么办?正确的应用应该是这样的：一种材料，应事先做一个样块，先用台式机打出值，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打值了。

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