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數顯超聲波硬度計公司

科技 更新时间:2024-12-12 13:25:12

硬度是材料力學性能中很重要的一項指标,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(也就是負荷)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,都是直接将力加載在材料表面,然後觀察變形,隻不過,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,随着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。

數顯超聲波硬度計公司(超聲波硬度計的原理及應用)1

但是,萬變不離其宗,馬甲再怎麼換,這些傳統的試驗方式其實質還是一樣,輔助技術的出現,并不代表着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。

裡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。這裡,有個隐含的前提,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,不能因撞擊産生振動。所以,裡氏在測量小工件、薄工件(包括薄壁管)是不合适的。

大家可能覺得奇怪,不是要講超聲波硬度計嗎?怎麼扯那麼遠?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,不存在誰更高級、誰更準确、誰更先進的問題,核心在于,針對具體應用,要關注其合理性與适用性。

好,現在可以繞回來了。

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、然後觀察壓痕。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,後面對于你理解超聲硬度計的合理性非常有幫助。

先來看看超聲硬度計的原理見圖:

再來看看探頭的結構簡圖:

下面,我就試着來描述一下其原理。

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,振動棒産生超聲振動,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、然後松開,也就是說,以一個固定的頻率震蕩着。

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,會出現什麼情況呢?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”連在一起後,會産生共振,(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後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,受力後的壓痕面積越小,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。

維氏機産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确得到,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号的緣故,其型号的不同,就是取決于彈簧壓緊力,有10N、20N,等等),那麼,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,如果隻是這樣的應用,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。

那麼怎麼辦?正确的應用應該是這樣的:一種材料,應事先做一個樣塊,先用台式機打出值,然後,用超聲波硬度計也打一次值,根據台式機打出的值,對超聲波硬度計進行标定,标定之後,隻要是同種材料,就可以直接用超聲波硬度計打值了。

比如,樣塊值HV1=F/(△f1,Eeff),那麼,隻要是同種材料,硬度不同,HV2=F/(△f2,Eeff),F和Eeff相同,隻要根據△f1和△f2的比例關系,就可以計算出HV2了。

所以,可以看出,超聲波硬度計和超聲波測厚儀是同樣的道理。

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别的方式測得的)來确定某種材料的聲速,以後,隻要是同種材料,直接測厚即可;

而滄州歐譜超聲波硬度計則是通過樣塊的已知硬度(這個已知硬度由台式機事先測得)來确定某種材料的彈性模量(但并不需要知道确切的數,這一點,和測聲速有所不同),以後,隻要是同種材料,直接打硬度即可。

超聲波測厚時,我們通常選個大緻的聲速,如果誤差較大,則會反測聲速,同樣,超聲波硬度計也事先内置了幾種材料的選項,如果你事先知道被測材料與這些内置選項有差異,或者測值時誤差較大,那就要象前面提到的,以這種材料做标樣,進行标定,其實可以把這個過程理解為“反測彈性模量”。

常見的硬度試塊,對于超聲波硬度計有什麼意義呢?那是用來較驗儀器本身的,而實測中的工件,未必與常見試塊相同,所以,不能說,在常見試塊上标定後就可以直接打實測工件了。

關于這一點,我們還是借助超聲波測厚儀來理解。當你把超聲波測厚儀接上探頭,到計量院送檢合格後,你是不是能夠直接去測一個鋁塊?當然不行,因為,計量院的厚度塊不是鋁制件,你得想辦法查到、或者反測到鋁的聲速才能測量。粗晶材料,你可能還要換探頭,而換探頭,你還要對探頭零點較一次,然後才能測量。隻不過,在很多情況下,被測件的材質與計量用的标準厚度塊的材質,聲速相差不大,所以拿來就測,問題也不大,

同樣,超聲波硬度計也是如此,隻不過,聲速變成了彈性模量,并且不用記錄出具體的彈性模量值。

好了,我們來總結一下:

1, 當彈性模量與内置的材料選項相同、或者是事先針對材料做樣塊進行标定的前提下,超聲波硬度計可以實現快速、便捷的硬度測試,而不用擔心壓痕邊緣不規則或不清晰(其實,在布洛維的測試中,這種情況并不少見,通常是由于壓頭施力偏心或被測面受力不均引起的——壓頭與被測件的同軸度不好),也不用擔心薄壁管的裡氏測量不準問題。

而一種材料,隻需标定一次——這和反測材料的聲速類似。

2, 硬度越高,更适用。因為,硬度越高意味着兩根“彈簧”更容易達成“共振”。(這一點也跟超聲波測厚相似,晶粒越細密、排列越密實,則透聲性就好,測厚就越精确,因為反射信号越容易被準确地捕捉到)

3, 超聲測硬度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,它其實比裡氏硬度計更符合傳統的力學測量概念。

所以,超聲波硬度計并不是隻針對某些特殊情況或領域的,而是可以廣泛應用的。

還是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,布絡維裡可以打的,超聲波硬度計可以打,布洛維裡不方便打或不适合打的地方,你都可以想起超聲波硬度計來。關鍵是,針對具體應用時,要幫助用戶去判斷其合理性、适用性。

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