超声硬度计原理及其发展

　　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。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[1]。

　　1　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(2)表示[2]。

仪器经过定标后,通过模拟表头或数字显示给出测试结果。

　　2　与其他硬度试验仪器的性能比较

　　传统的硬度试验仪器,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。