生产过程中的硬度无损测量

　　随着科学技术的高速发展，工程构件运行条件和受力状态日趋复杂，从而对机械零件在各种运行条件下，强度、抗疲劳强度、材料的应力应变关系的直接检测，具有重要的意义。它可以密切监视金属结构件在运行过程中强度如何发生变化，是否接近塑性变形的允许值，以防止重大事故的发生。

　　目前，这项研究受到许多工业发达国家的关注。其中，采用超声波接触阻抗法(UCI)，无损检测材料及零件、构件硬度，来评价其各种强度指标，取得了成功的应用。由于这种仪器体积小，便于携带，适合于机械零件及金属焊缝和其他应力集中区域的强度测量，也可以装设在一些重要的设备上，做为监测仪器。

　　一、超声波硬度测量的原理

　　超声波硬度测量的原理，是基于试件表面柔顺系数与硬度的对应关系。如图1所示，当振杆未压入试件，谐振时，两端振幅最大，成为波腹。

　　当振杆镶有金刚石压头一端，以一定压力压入试件时，其压头端受阻，杆的振动波腹从端部向里移动，杆的谐振频率升高.被测试件硬度越图1超声波硬度测t原理图低，压头压入量越深，振杆受阻越大，谐振频率越高。而且试件硬度与谐振频率变化为单调函数关系。振杆未压入时的谐振角频率w₀为：

式中c—振杆纵向振动传播声速

　　l—振杆长度

　　n—1，2，3，……

　　振杆压入时的谐振角频率w，满足(2)式的关系。

式中Zo—振杆的特征声阻抗

　　q_x—压头材料的柔顺系数与被测试件柔顺系数之和

　　压入量决定于被测试件的硬度，一般为数微米至数十微米。而振杆谐振角频率与被测试件表面压痕大小，满足(3)式关系。

式中d—四棱锥压痕的对角线长度

　　qr—振杆的柔顺系数

　　—压头材料的泊松比

　　—被测试件的泊松比

　　Et—压头材料的杨氏模量

　　Es—被测试件的杨氏模量

式中Er—振杆的杨氏模量

　　s—振杆的截面积

　　标准维氏硬度的理论算式，可用式(6)表示。

式中HV—维氏硬度值

　　F—试验载荷N

　　d—四棱锥压痕的对角线长度的平均值，mm

　　因此，在恒定的载荷下，通过频率的测量，可求得被测试件的硬度。

　　二、仪器的结构及特点

　　仪器由超声波探头和信号处理器组成，国内典型产品为我所研制生产的HRVA一1型微电脑超声硬度计。

　　超声波探头，有一个具有磁致伸缩效应的传感器杆，其一端焊到钢制圆柱体上，另一端镶有一个金刚石压头，激励线圈绕在传感器上，在传感器杆上端，固定一个压电晶体片(图2)。传感器杆作为一个机械振子，插到激励放大器的反馈电路上，在激励线圈作用下，使传感器杆产生纵向超声波，由压电晶体片检测出信号，正反馈到激励放大器输入端，由此可构成一个自激振荡器，其振荡频率就是传感器的谐振频率。