2013超声波硬度计简要介绍及趋势分析.ppt

作者：郑春平 东莞市中旺精密仪器有限公司 关于材料的“度”？ 长度、宽度、高度、 厚度、圆度、锥度; 湿度、温度、 硬度、强度、 杨氏弹性模量 1.什么是金属的硬度？为什么要进行硬度试验？ 2.常见的硬度计有哪些种类？ 3.传统硬度计的优缺点： 4.谁发明了超声波硬度计和当前国际标准 5.什么是超声波和杨氏弹性模量？ 6.超声波硬度计的测试原理 7.当前超声波硬度计的主流品牌及型号有哪些？ 8.中国超声波硬度计的发展现状 9.中旺超声波硬度计SU100的产品性能和特点 10.超声波硬度计的使用注意事项 11.超声波硬度计的校正方法 12.超声波硬度计的发展趋势 硬度是金属材料力学性能中最常用的一个性能指标。 硬度检测又是最迅速最经济的一种试验方法。但是对于金属材料的硬度，至今国内外 还没有一个包括所有试验方法在内的统一而明确的定义。一般说来，金属的硬度 常被认为是：材料对压入塑性变形，划痕，磨损或 切削等的抗力。 对于压入法来讲，也被认为是：材料在一定条件下抵抗另一本身不发生残余变形物体 压入的能力。之所以存在上述两种说法，是因为“硬度”本身不是一个简单物理常数。它 是一个不仅决定于所研究材料本身的宏观与微观条件（如宏观的变形程度，冷热加工条件 ，微观的金属晶体点阵类型、晶格常数和原子间的结合力等），而且也决定于测试的特征 和条件量。可以这么说，对于被检测的材料而言，硬度是代表着在这一定的压头和力的作 用下所反应的弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一系列不同物 理量的综合性能指标。例如，将同样尺寸、相同材质的压头以同样大小的试验力分别压在 铁和铜的表面上，去掉试验力后看到铁被压入的压痕深度浅，而铜被压入的压痕深度深， 这表面铁的形变抗力比铜的形变抗力大，即铁比铜硬。而实质上在这一比较中，还包括了 两种材料的不同弹性、塑性、塑性形变形能力和形变强化率等因素在内。 另外，试验方法不同，硬度值的含义也不相同。例如布氏硬度试验，是比较不同材料 单位面积上所受抗力的大小，而洛氏硬度没有量纲，只是在使用同一标尺条件下，以数值 的大小来比较硬度值的高低。 因此，用更准确的定义去更科学的反应出硬度的客观实质，还有待于人们从实 验中和对金属宏观和微观结构的深入研究中去获得。尽管如此，在不同试验方法 的基础上，正确应用试验原理和试验条件，得出的试验结果对于各行各业正确使 用金属材料、监视工艺的正确性、判定产品品质以及在科学试验中均有重大的实 际意义。 金属的硬度随冷加工变形程度的增大而提高，又随退火而使材料发 生恢复再结晶的程度的增加而降低。时效强化型合金的硬度与采用 的各种热处理工艺所引起的组织变化有关。如可强化铝合金的热处 理工艺与硬度的关系见图1-2. 硬度测试能敏感反映材料如下几方面的差异： 一、化学成分； 二、组织机构； 三、处理工艺 因此硬度测试方法在检验原材料、监督热处理工 艺正确性以及在研究固态相变过程和研究新材料 、新合金中被广泛加以利用。 硬度计名称布氏硬度计洛氏硬度计维式硬度计显微硬度计里氏硬度计邵氏硬度计巴氏硬度计韦氏硬度计 典型图片 标尺符合 HBW HRA, HRB, HRC, HR45T HVHVHLHSHBaHW 试验力(Kg) 62.5, 100, 125,187.5, 250,500, 750, 1000, 1500,3000 15, 30, 45; 60, 100, 150 5, 10, 20,30, 50, 100, 120 10、25、 50、100、 200、300 、500、 1000, 2000gf HL=1000Vr/ Va HS(C,D)=K* h2/h1. Hba=100- L/0.0076 HW=20- L/0.01 计算公式HBW=F/AHR=N-h/sHV=F/AHV=F/A HL=1000Vr/ Va HS(C,D)=K* h2/h1. Hba=100- L/0.0076 HW=20- L/0.01 类型台式/便携式台式/便携式台式台式便携式便携式便携式便携式 2.常见的硬度计有哪些种类？ 3.1）常规台式硬度计的优缺点？ +常规的台式硬度计有布氏硬度计、洛氏硬度计、维式硬 度计、显微维式硬度计、布洛维硬度计、万能硬度计等 台式机。 +台式机由于采用标准的测试原理进行制造而成，因此测 试精度高，但是 +由于比较笨重，没有便携性可言，不适用于现场测量。 +并且一个测试流程耗费时间较长，比如洛氏的测试时间 是在30秒，维式是在50秒，布氏大约80秒，不适合于快 速的批量测量。 +而且产生的测试压痕较大，通常只能抽样测量，不适用 于全检测量。 3.2）常规便携式硬度计的优缺点？ +常见的便携式硬度计有里氏硬度计、邵氏硬度计、便携布 氏硬度计、锤击式布氏硬度计、便携洛氏硬度计、巴士硬 度计、韦氏硬度计。 +便携布氏硬度计、锤击式布氏硬度计、便携洛氏硬度计采 用的直接测量的方法获取硬度值，因此也存在压痕大，测 试流程长的缺点。 +邵氏硬度计主要应用于测量橡胶、塑料、海绵及泡棉等非 金属材料，近年来也出现了新的邵氏标尺也可测量金属的 硬度，但还普及程度还有待提高。 +巴士硬度计、韦氏硬度计主要用来测试铝、铜、软钢及较 软的金属材料硬度。 +通常大家指的便携式硬度计是里氏硬度计，里氏硬度计由 于价格低，操作简单，测试速度快，因此市场的保有量比 较大，但由于采用的是弹跳式测量法，对式样的质量和厚 度大小有一定要求，比如小于5KG的式样需要固定或者偶 合后才能测量，并且测量的误差比较大。 有没有一种硬度计既能达到台式硬度计的测量精 度，又便于携带，方便现场操作？ 有没有一种硬度计能缩短测试的时间，但又有高 精度的硬度测量？ 有没有一种硬度计能不能不要有太大的压痕, 又能 达到测量的要求？ 如果您面临上述的硬度测量困惑，我们向您推荐 超声波硬度计。您所困惑的几个问题，超声波硬 度计都能帮您解决掉。 4.2目前执行的国际标准有哪些？ 目前超声波硬度计执行的主要标准有: 德国的DIN 50159-1-2008; 美国的ASTM-A1038-2005 +当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次 数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能 听到的声波频率为2020K赫兹。当声波的振动频率大 于20K赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此， 我们把频率高于20K赫兹的声波称为“超声波”。 +超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的 声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距，测速， 清洗，焊接，碎石等。在医学,军事,工业,农业上有很多 的应用。 理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能 量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点 振动的频率很高,因而能量很大。 如何产生超声波：机械振动 （压电晶片）； 正压电效应：陶瓷材料在外力作用下产生形变时，晶体中就会产生极化或电场，这种 效应称为正压电效应。(用来接收超声波) 逆压电效应：当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，这种效应 称为逆压电效应。(用来发射超声波） 参数：20KHZf70KHZ， T-重复周期， f=1/T-频率， A-振幅。 （在A相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比） 应用：医学（B超，成像等），检测（测厚，测距，缺陷检测等），处理（超声焊接 ，去锅垢、清洗等） 杨氏模量(Youngs modulus)是表征在弹性限度内物质材料抗 拉或抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量，也是材料力学 中的名词。 1807年因英国医生兼物理学家托马斯杨(Thomas Young, 1773-1829) 所得到的结果而命名。根据胡克定律，在物体的 弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模 量，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的 物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越 大，越不容易发生形变。 杨氏弹性模量是选定机械零件材料的依据之一是工程技术设 计中常用的参数。杨氏模量的测定对研究金属材料、光纤材 料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、橡胶等各种材料的 力学性质有着重要意义，还可用于机械零部件设计、生物力 学、地质等领域。 测量杨氏模量的方法一般有拉伸法、梁弯曲法、振动法、内 耗法等，还出现了利用光纤位移传感器、莫尔条纹、电涡流 传感器和波动传递技术（微波或超声波）等实验技术和方法 测量杨氏模量 6.1维式压人法测量材料硬度的示意图 在均匀的接触压力下，UCI传感器振动杆的谐振频率随接触面积的变化而变化。 超声波硬度计采用维式压头及测试原理，只是测量 面积的方法不是用光学测量法，而是用电子测量法 。 品牌 KK/GE (Krautkramer) BAQ Alpha NewSonic JFE (川铁) METSautronSinowon 产地德国德国德国日本俄罗斯乌克兰中国 主要型号 MIC-10; MIC-20 alphaDUR- II UCI SonoDurSH21MET-U1A Handytest UCI1500 SU100 产品图片 备注：超声波硬度计的生产大国为德国，核心技术只被来自德国、日本、俄罗 斯的几个公司掌握。 +20世纪80初，超声波硬度计仪器从国外传人我国，国内的一 些高校开始对超声波硬度计的原理进行研究，通过校企合作 等方式，研发出国产第一代的超声波硬度计。 +第一代超声波硬度计只具备欧美80年代末的技术水平，精度 低、故障高，实用性较差，在市场上没有得到大量的普及。 90年代，21世纪初，中国的高端用户还是靠进口德国和日本 的超声波硬度计来解决需求问题。 +21世纪的第二个十年，国内的几个厂商开始与俄罗斯、乌克 兰的厂商合作，进口超声波测头，自行开发显示终端，但由 于超声波硬度计的探头才是整个仪器的核心技术，无法对德 国、日本等主要厂商产生实质性的挑战。 +中旺仪器技术团队通过与德国专家的合作，通过5年的辛勤 研发和测试，完全掌握了超声波硬度计探头核心科技，依托 中国大陆强大的生产制造能力，在2012年开发出新一代的超 声波硬度计SU100。 +1）对被测工件表面无损伤 、操作简便、稳定性 好、测试精度高； +2）选配测试支架对成品小工件批量检测速度快、 操作简便、测试精度高； +3）可以检测金属薄片、金属薄层（包括渗氮层、 渗碳层、电镀层 ）小件、异形件、不可移动的大 型工件等； +4）布、洛、维三种制式转换； +5）可对硬度值分布不均匀的被测工件做多点累计 求平均值； +6）可手持测头直接对工件进行检测。 10.1试样的制备 试验力（也就是探头的选择）和材料的表面粗糙度有关。光滑、均 一的表面可以用小负荷，粗糙表面的负荷则应尽量增大。表面杂质必 须去除，无油无尘，并且粗糙度不能超过压痕深度的30 %（ Ra0.3h）其中 特定硬度（HV）和负荷（N）下，维氏金刚石压头的压痕深度见公式 2。 公式2 表1提供了适合特定UCI维氏探头的最小表面粗糙度，如果需要表面处 理，注意不要因为过热或冷作硬化改变表面硬度。任何油漆、污垢或 其他表面覆盖物均需完全清除。表面质量不好会导致示值不稳定，粗 糙表面往往会降低测量值。 表1：不同试验力的对式样表面的粗糙度要求： 测试负荷98 N50 N10 N3 N Ra15 m10 m5 m2.5 m 10.2最小厚度: +较大材料的薄镀层或表面层必须达到最小厚度，即凹痕深 度的十倍（维氏凹痕见图3）。符合：Smin = 10h 图3 在1N到98N的不同负荷下，维氏金刚石的压痕深度 10.3最小厚度: 样品厚度小于15mm时，若发生共振，示值会明显 改变，例如薄片和管子。多数扰动是振动端激起 的弹性振动，应使用合适的方法抑制。可以将试 样粘在大质量金属块上，胶和油膜都可以阻止弹 性波，但是建议有至少23mm的厚度。 10.4振动的影响： UCI法的基础是测量频率改变，低于300g的零件会发生 振动，导致错误或者不确定的结果。质量小于最小质 量或者部分厚度小于最小厚度的试样需要刚性支撑， 耦合到厚的大质量刚体表面来抵抗UCI探头的振动。缺 乏合适的支撑或耦合会导致或高或低的结果。 10.6温度： 试样温度也可能影响UCI法测量的结果。但是，如 果探头仅在测量时暴露于高温中，即使高于室温也 可进行测量，不会影响超声波硬度计仪器的性能。 11. 1为其他材料校准 准备特定材料的式样在工作机上测定硬度值，其 硬度值可由常规台式硬度计如维氏、布氏或洛氏 中的一种确定，见ASTM A 370。 校准平均硬度值至少需要5个读数。在被测材料 上进行至少5次UCI测量。将显示的平均硬度值调 整到先前测得的硬度值，即可得出校准值，从而 在希望的硬度标尺和范围内测量此种材料的硬度 。对于不同材料的硬度检测，SU100允许存储20组 的校准数据，需要的时候调用即可。 11.2 UCI与HV硬度测试方法对比: 与传统小负荷硬度测试相比，UCI法用电子而非光学的方 法评价凹痕尺寸。UCI法依赖于测定弹性模量，是一种比 较测量法。 移除负荷后，使用维氏金刚石的UCI探头压出的凹痕与同 负荷下常规台式维氏测试中的凹痕几乎一致。 按照ASTM E 92的规定加载，且使用了维式UCI压头，其 凹痕可用标准维氏测试的光学