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超聲波硬度計的精度

[2015/1/13]

    隨著超聲波硬度計市場的發展,越來越多的生產企業開始接觸到超聲波硬度計。對于超聲波硬度計的精度、方法原理、使用范圍可以拿超聲波測厚來比照:卡尺能測厚的地方,超聲波測厚儀可以測,卡尺測不到的地方,超聲測厚儀也可以測。同樣道理,布絡維里可以打的,超聲波硬度計可以打,布洛維里不方便打或不適合打的地方,你都可以想起超聲波硬度計來。

    超聲波測厚儀是通過樣塊的已知厚度(這個已知厚度實際上也是事先由別的方式測得的)來確定某種材料的聲速,以后,只要是同種材料,直接測厚即可;

    而超聲波硬度計則是通過樣塊的已知硬度(這個已知硬度由臺式機事先測得)來確定某種材料的彈性模量(但并不需要知道確切的數,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。

超聲波硬度計的原理

    超聲波硬度計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,也就是說,以一個固定的頻率震蕩著。

    當我們把這樣一根“彈簧"的尖端,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,也就是說兩根“彈簧"連在一起后,會產生共振,(當然,這個“逐漸地"的過程很快,也就一兩秒鐘的事),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就可以被計算出來了。

    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,壓痕面積就越大。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,也就是圖中的HV=F/A。

    維氏機產生的壓痕本來就很小,而壓痕邊緣的判定是由人來觀察的,難免出現錯誤。而振動棒的壓痕就更小,但頻率卻可以借由電路的計算精確得到,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,靠的就是壓緊彈簧——這是真的彈簧,而彈簧的壓緊力是可以事先設定的,這就是超聲波探頭有不同型號的緣故,其型號的不同,就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。

    超聲測硬度計的理論依據是毋庸置疑的,它也是評估力值和壓痕的關系,從這個角度講,它其實比里氏硬度計更符合傳統的力學測量概念。