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超声硬度计原理及其发展

编辑:金沙官网        发布日期:2018-06-10        点击量:566

超声硬度计是一种普适的无损测试仪器设备设备。确认合格的校准证书,校准后的仪器如果判定合格后(严格意义校准是只出数据的),建议的校准周期为基本都是一年。专门从事仪器校准,仪器校正,仪器计量技术服务中心独立的第三方CNAS认可法定计量机构。通过对其工作原理的分析和与其他硬度测试仪器设备的对比,总结了超声硬度计在硬度测试上独特的优越性。现代电子技术和超声硬度测试方法的结合使得超声硬度计日臻完善,使其在国内外的使用也日益广泛。

超声硬度测试方法是在60年代初美国的C.Kleesattel和英国的G.M.L.Gladwell提出的超声接触阻抗方法(UCI)理论的基础上建立起来的硬度测试方法。数字仪器检测指示秤、模拟指示秤、非自行指示秤等衡器。这是一种动态的测试方法,施加静载以得到压痕,用装有压头的谐振杆的谐振频率增量来确定压头与被试材料的接触面积,以此来评价硬度。由于测试中所需静载很小,相应的压痕也很小,是一种无损测试方法,对局部硬化表面和薄小件也同样适用。若以不同的载荷对同一点进行测量,可分别得出材料的弹性和塑性硬度以及弹性模量,因此,这种硬度计不仅使用方便,结果准确,对材料无损,而且也是多用途的。

超声硬度计原理及其发展

超声硬度计的原理

超声硬度计使用的测头是自由端镶有维氏金刚石压头,另一端固定于大质量块上的谐振杆,将其压向被试材料,其谐振频率会随着压痕投影面积的变化而改变,在压头带有磁致伸缩传感器的基础上就可以构造出小型轻便的硬度计。图1所示为超声硬度试验中机械接触的等效系统,谐振杆自由端的维氏压头与被试材料表面相接触,利用谐振驱动电路和压电效应,在杆另一端产生法向作用力,谐振杆被激励,产生超声频率的纵向振动。作用力的表达式见式

(1)F(t)=Fst+Fa×sinωt

(1)其中Fst是静态部分;Fa是交变力的幅值,满足Fa/Fst<0·1;谐振频率f=ω/2π[2]。

图2中显示了3种不同状态下谐振杆谐振频率的改变。图2a所示的自由振荡状态下,固定端为振动的波节点,自由端为振动的波腹点,则振动的波长是杆长的4倍(相应频率为f0);图2c所示的自由端被完全紧固的理想状态下(相当于压头压入表面硬度无限大的材料),谐振杆两端均为振动的波节点,则振动的波长是杆长的2倍(相应频率为f∞=2f0);图2b所示为压头压入被试材料的一般情况,此时波腹点位于谐振杆中点与自由端之间,则谐振频率f介于f0和f∞之间。

若谐振杆在其长度的1/4处被固定,则只有一阶谐波振荡产生。先测出谐振杆自由振荡的谐振频率,再测出以已知静载荷压向被试材料时的谐振频率,得到谐振杆谐振频率的变化量Δf,即可确定被试材料的硬度值。在满足Fa/Fst<0·1的条件下,具有相同弹性模量的材料其硬度比可用式

仪器设备设备经过定标后,通过模拟表头或数字显示给出测试结果。

 

与其他硬度试验仪器设备设备的性能比较

传统的硬度试验仪器设备,如布氏、洛氏、维氏硬度试验机,都是将特定压头以一定的静载荷压入被试材料表面,在其表面产生压痕,再用机械或光学的方法直接测量此压痕的大小,来评价被试材料的硬度。表征材料硬度值的压痕应是加载时材料的全部变形,但由于硬度值是在卸载的情况下读取的,被测的压痕只是残余的塑性变形,变形中的弹性恢复被忽略了。另一方面,硬度值是在假定压痕是压头真实几何形状反映的前提下确定的,而实际上残余的压痕与压头形状并不完全相符。以上两个因素对测量值的影响取决于被试材料的弹性模量和屈服极限。超声硬度试验的实质是通过谐振频率增量对压痕间接估值,测量是在测头与被试材料接触的加载情况下进行的,因此,可以避免传统硬度试验中压痕弹性恢复和压痕变形的问题。

除超声硬度计之外,另一种发展较快且自动化程度比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,而碰撞过程时间极快,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术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。

 

超声硬度计的发展情况

最初超声硬度计投入市场时使用的名称是SONODUR,并使用模拟刻度表头输出,仅提供单一的洛氏或维氏硬度值。到80年代,有了数字式输出的维氏和洛氏C硬度计,更进一步地到数字式超声硬度计,不仅可以即时显示维氏硬度值,经过转换开关后,亦可以显示洛氏硬度值,还可以快速测试被试材料的硬度变化特性和淬火深度。随着集成电路和芯片技术的发展,超声硬度计不仅测试硬度范围、分辨率和精度都有了很大的提高,而且更加小型化、轻便化,电源和显示的改进也为用户的使用提供了方便。由于超声硬度计所基于的超声接触阻抗(UCI)方法的优势,产品除了向袖珍便携的方向发展外,也进一步地向全自动化方向发展。

 

总结

基于超声接触阻抗方法(UCI)的超声硬度测试是一种普适的无损测试方法,适用于各种成分和微观结构的材料,并且由于试验时产生的压痕微小,测头的使用角度不受限制,所以也适用于金属薄片、表面镀层、表面硬化层、大型试件、组合安装件以及特殊形状试件的硬度测试。通过对其测量原理的分析和对各种硬度测试方法和相互间的性能比较,可以得出超声硬度计主要的优点在于:

(1)超声硬度测试是一种无损测试方法,对被试材料的表面几乎没有破坏;

(2)超声硬度测试不仅仅可以进行硬度测量,还可以测量物体的弹性模量等其他物理量;

(3)超声硬度计的发展潜力大,随着集成电路和芯片技术的发展,超声硬度计的测量范围和测量精度都会有进一步的提高,并且可以向着小型化、便携式的方向发展;

(4)与里氏硬度计的比较,超声硬度计的应用范围大,对被试材料的要求低,应用更广泛。

目前,国内所研制的超声硬度计虽然在性能上比以前有很大的提高,但是由于设计和加工的水平所限,还不能在性能上和国外的同类产品一较高低。由于近几年来国内电子产品的迅猛发展,对研制性能更加完善的超声硬度计起到了促进作用。相信在不远的将来国产的超声硬度计在性能、价格和操作控制控制等方面上会达到令人满意的程度。

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