2022年8月13日

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先进了,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,不存在谁更高级、谁更准确、谁更先进的问题,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”的尖端,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精确得到,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。

比如,样块值HV1=F/(△f1,Eeff),那么,只要是同种材料,硬度不同,HV2=F/(△f2,Eeff),F和Eeff相同,只要根据△f1和△f2的比例关系,就可以计算出HV2了。

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;

而沧州欧谱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。

超声波测厚时,我们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,如果你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?那是用来较验仪器本身的,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,我们还是借助超声波测厚仪来理解。当你把超声波测厚仪接上探头,到计量院送检合格后,你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,你得想办法查到、或者反测到铝的声速才能测量。粗晶材料,你可能还要换探头,而换探头,你还要对探头零点较一次,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。

1, 当弹性模量与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。

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,布络维里可以打的,超声波硬度计可以打,布洛维里不方便打或不适合打的地方,你都可以想起超声波硬度计来。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。返回搜狐,查看更多

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