超声波硬度计的原理解析

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、谁更先进的问题，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。