超聲波硬度計的原理

本章節在介紹超聲波硬度計的原理及其應用，在此之前，大家是否想了解一下硬度計的起源呢?金屬硬度測量*早起源于18世紀20年代，由雷奧姆爾提出并被應用到金屬硬度檢測的，此乃硬度計也。

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*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。

里氏硬度計則是完全不同的試驗方法，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。

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。

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*是說，以一個固定的頻率震蕩著。

當我們把這樣一根“彈簧”的*，*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”*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*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*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*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*越大。這時，我們來看看下面的公式： 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*是圖中的HV=F/A。

維氏機產生的壓痕本來*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*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，靠的*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*是超聲波探頭有不同型號的緣故，其型號的不同，*是取決于彈簧壓緊力，有10N、20N，等等)，那么，硬度值的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，*可以直接用超聲波硬度計打值了。

綜上為超聲波硬度計的原理及應用，如果您有什么疑問，可在我們愛儀器儀表官方網站咨詢相關客服，我們會為您進行有效而詳細的解答的。