超声波硬度计-里氏硬度计-使用对比

发布时间:17-02-20 14:59分类:技术文章
标签:超声波硬度计的原理,超声波硬度计
本章节在介绍超声波硬度计的原理及其应用,在此之前,大家是否想了解一下硬度计的起源呢?金属硬度测量*早起源于18世纪20年代,由雷奥姆尔提出并被应用到金属硬度检测的,此乃硬度计也。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*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*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*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*是说,以一个固定的频率震荡着。当我们把这样一根“弹簧”的*,*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”*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*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*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*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*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*是图中的HV=F/A。维氏机产生的压痕本来*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*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*设定(振动棒压紧到材料表面,靠的*是压紧弹簧——这是真的弹簧,而弹簧的压紧力是可以事*设定的,这*是超声波探头有不同型号的缘故,其型号的不同,*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*把弹性模量给测出来——除非你事*知道。
那么怎么办?正确的应用应该是这样的:一种材料,应事*做一个样块,*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,*可以直接用超声波硬度计打值了。综上为超声波硬度计的原理及应用,如果您有什么疑问,可在我们爱仪器仪表官方网站咨询相关客服,我们会为您进行有效而详细的解答的。

除超声硬度计之外,另一种发展较快且自动化程度较高的新型便携式硬度计是里氏硬度计。它是基于非完全弹性碰撞原理.通过碰撞中的冲击能量损失确定硬度值的硬度计。由于里氏硬度值的大小取决于被试材料压痕中弹性变形功在全部变形功中所占的比例,而碰撞过程时问极快,使压痕产生过程极短,因此任何影响冲击体回弹速度,消耗冲击能量,使压痕产生不充分的因素都会对测量造成影响,使其在应用过程中的技木条件受到一定的限制。里氏硬度试样的技术条件主要包括试样的质量、表面粗糙度、厚度和几何形状等方面,与超声硬度计的对比情况见表1(表中里氏硬度计技术数据均针对标准D型测头,且测试方向为垂直向下)。里氏硬度测试和超声硬度测试都是动态的无损测试方法。当试样具有相当大的质量,尤其是大质量厚壁结构时,可以使里氏硬度计的优势充分发挥;但超声硬度计所基于的超声接触阻抗(UCI)方法的独到优势。使其具有更广泛的应用范围。

超生硬度计与里氏硬度计对比

里氏硬度计

超声硬度计

试样的质量

试样质量越大,里氏硬度计硬度值就越可靠,其最小质量要求,高硬度试样3KG,低硬度试样1.5KG。若试样不满足要求,需通过耦合或压紧支撑的方法提高试样的惯量,对非密实试样要估算有效碰撞质量,计算质心和偏角,处理不当则会造成较大的误差。

对薄小件,复杂形状的工件,只需用不同的测头适配块,就可直接测量,避免了工装夹具的设计和测量值换算修正等步骤。

试样的表面粗糙度

冲击体冲击试样表面产生压痕的过程分为光整阶段和冲击压痕阶段两部分,表面粗糙度越大,光整阶段所消耗掉的冲击体动能也越大,引起测量值低于实际值,对高硬度试样影响较大。要求高硬度试样,Ra≤2um(▽6以上),低硬度试样Ra≤8um(▽4以上)。

澳门新蒲京官网网址,表面粗糙度越大,表面对谐振杆压头的约束力也越大,谐振杆频率上升,引起测量值偏低,对低硬度试样影响较大,但Ra≤12.5um(▽3以上)情况下影响不大。