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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(也就是负荷)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、谁更准确、谁更的问题,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,也就是说,以一个固定的频率震荡着。
当我们把这样一根“弹簧”的,就是那个维氏压头,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”就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,也就是说两根弹簧”连在一起后,会产生共振,(当然,这个“逐渐地”的过程很快,也就一两秒钟的事),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就可以被计算出来了。
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,压痕面积就越大。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,也就是图中的HV=F/A。
维氏机产生的压痕本来就很小,而压痕边缘的判定是由人来观察的,难免出现错误。而振动棒的压痕就更小,但频率却可以借由电路的计算得到,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,如果力值事先设定(振动棒压紧到材料表面,靠的就是压紧弹簧——这是真的弹簧,而弹簧的压紧力是可以事先设定的,这就是超声波探头有不同型号的缘故,其型号的不同,就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,你得先把弹性模量给测出来——除非你事先知道。 那么怎么办?正确的应用应该是这样的:一种材料,应事先做一个样块,先用台式机打出值,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,就可以直接用超声波硬度计打值了。
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