本章節(jié)在介紹超聲波硬度計(jì)的原理及其應(yīng)用，在此之前，大家是否想了解一下硬度計(jì)的起源呢?金屬硬度測(cè)量*早起源于18世紀(jì)20年代，由雷奧姆爾提出并被應(yīng)用到金屬硬度檢測(cè)的，此乃硬度計(jì)也。

硬度是材料力學(xué)性能中很重要的一項(xiàng)指標(biāo)，和強(qiáng)度一樣，它們其實(shí)都是在考量材料受力與變形之間的關(guān)系。因此，傳統(tǒng)的硬度測(cè)量手段，或者說(shuō)，試驗(yàn)方法，都是與力值(也*是負(fù)荷)直接相關(guān)的，比如，常見(jiàn)的布、洛、維硬度計(jì)，包括韋伯斯特硬度計(jì)、巴氏硬度計(jì)，都是直接將力加載在材料表面，然后觀(guān)察變形，只不過(guò)，有的關(guān)注的是水平方向的變形(布氏)、有的關(guān)注的是深度方向的變形(洛氏)、有的給予綜合考慮(維氏)。當(dāng)然，隨著機(jī)電技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及為了應(yīng)用的方便，于是又出現(xiàn)了電機(jī)加載、CCD觀(guān)察壓痕等等形式。

但是，萬(wàn)變不離其宗，馬甲再怎么換，這些傳統(tǒng)的試驗(yàn)方式其實(shí)質(zhì)還是一樣，輔助技術(shù)的出現(xiàn)，并不代表著這些試驗(yàn)方法變得更先進(jìn)了，而它們(布絡(luò)維)的換算關(guān)系也仍然是基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

里氏硬度計(jì)則是完全不同的試驗(yàn)方法，它不再是直接的力與變形的關(guān)系，實(shí)際上，借助的是動(dòng)量守恒原理。質(zhì)量一定的一個(gè)球頭，以已知的初始速度撞擊材料表面，獲得一個(gè)反彈速度，人們用這兩個(gè)速度之比來(lái)表征硬度。這里，有個(gè)隱含的前提，即，被測(cè)材料的質(zhì)量相對(duì)于球頭來(lái)講，應(yīng)該要足夠大，而且微觀(guān)上講，不能因撞擊產(chǎn)生振動(dòng)。所以，里氏在測(cè)量小工件、薄工件(包括薄壁管)是不合適的。

大家可能覺(jué)得奇怪，不是要講超聲波硬度計(jì)嗎?怎么扯那么遠(yuǎn)?我繞這一大圈的目的，是想幫助大家理解(或者說(shuō)建立)一個(gè)概念：不同的試驗(yàn)方法之間，不存在誰(shuí)更*、誰(shuí)更準(zhǔn)確、誰(shuí)更先進(jìn)的問(wèn)題，核心在于，針對(duì)具體應(yīng)用，要關(guān)注其合理性與適用性。

從前面繞的那一大圈，我們可以知道，傳統(tǒng)的方式是直接加力、然后觀(guān)察壓痕。除了洛氏是看壓痕深度之外，布氏值和維氏值其實(shí)是力值F和壓痕面積d2的關(guān)系。這一點(diǎn)，務(wù)請(qǐng)記牢，后面對(duì)于你理解超聲硬度計(jì)的合理性非常有幫助。

探頭中間是一根振動(dòng)棒，振動(dòng)棒的下端是一個(gè)維氏壓頭。開(kāi)機(jī)時(shí)，振動(dòng)棒產(chǎn)生超聲振動(dòng)，當(dāng)然，這個(gè)振動(dòng)你肉眼是觀(guān)察不到的，但是，可以被固定在振動(dòng)棒上的一組壓電晶片感應(yīng)到，并由此計(jì)算出一個(gè)振動(dòng)頻率。 這時(shí)候，讓我們展開(kāi)想象，把這根振動(dòng)棒看做是一根彈簧，不斷地被壓縮、然后松開(kāi)，也*是說(shuō)，以一個(gè)固定的頻率震蕩著。

當(dāng)我們把這樣一根“彈簧”的*，*是那個(gè)維氏壓頭，緊緊地壓進(jìn)材料表面，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢?我們知道，材料有彈性模量，微觀(guān)上，振動(dòng)棒這個(gè)“彈簧”*會(huì)把震蕩傳遞給材料的微觀(guān)晶粒，于是這些晶粒也開(kāi)始震蕩，你同樣可以想象，這是又一根“彈簧”在震蕩。

剛開(kāi)始，這兩根“彈簧”的震蕩頻率并不相同，但逐漸地，它們會(huì)趨于同步，也*是說(shuō)兩根彈簧”連在一起后，會(huì)產(chǎn)生共振，(當(dāng)然，這個(gè)“逐漸地”的過(guò)程很快，也*一兩秒鐘的事)，于是，振動(dòng)棒上的另一組壓電晶片監(jiān)測(cè)到了這個(gè)共振的頻率，這樣，振動(dòng)棒初始的頻率和共振后的頻率的變化量也*可以被計(jì)算出來(lái)了。

我們又知道，材料硬度越高，受力后的壓痕面積越小，硬度越低，壓痕面積*越大。這時(shí)，我們來(lái)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(gè)公式表示，△f與Eeff和A存在可計(jì)算的比例關(guān)系。而在前面講過(guò)，硬度值其實(shí)也是與力F和壓痕面積A存在可計(jì)算的比例關(guān)系，也*是圖中的HV=F/A。

維氏機(jī)產(chǎn)生的壓痕本來(lái)*很小，而壓痕邊緣的判定是由人來(lái)觀(guān)察的，難免出現(xiàn)錯(cuò)誤。而振動(dòng)棒的壓痕*更小，但頻率卻可以借由電路的計(jì)算*得到，于是，如果我們知道某種材料的彈性模量，又測(cè)得了頻率，那我們完全可以借助換算關(guān)系用△f與Eeff來(lái)表示A、而不用去測(cè)量壓痕直徑。

這樣，如果力值事先設(shè)定(振動(dòng)棒壓緊到材料表面，靠的*是壓緊彈簧——這是真的彈簧，而彈簧的壓緊力是可以事先設(shè)定的，這*是超聲波探頭有不同型號(hào)的緣故，其型號(hào)的不同，*是取決于彈簧壓緊力，有10N、20N，等等)，那么，硬度值的公式完全可以轉(zhuǎn)化成：HV=F/(△f，Eeff)，你看，根本不用費(fèi)心去觀(guān)察壓痕了、也不用擔(dān)心“壓痕邊緣不清晰”所帶來(lái)的誤差了。

但是且慢，如果只是這樣的應(yīng)用，還是顯示不出超聲測(cè)硬度的好處，因?yàn)?，不同材料，其彈性模量必定有差異，你得先把彈性模量給測(cè)出來(lái)——除非你事先知道。 那么怎么辦?正確的應(yīng)用應(yīng)該是這樣的：一種材料，應(yīng)事先做一個(gè)樣塊，先用臺(tái)式機(jī)打出值，然后，用超聲波硬度計(jì)也打一次值，根據(jù)臺(tái)式機(jī)打出的值，對(duì)超聲波硬度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定之后，只要是同種材料，*可以直接用超聲波硬度計(jì)打值了。

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