超声波硬度计 简要介绍及趋势分析

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超声波硬度计

特此鸣谢：

 

 

超声波硬度计

简要介绍及趋势分析

                                 

 

                          

   

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

目录

l 什么是金属的硬度？为什么要进行硬度试验？

l 常见的硬度计有哪些种类？

l 传统硬度计的优缺点：

l 谁发明了超声波硬度计和当前国际标准

l 什么是超声波和杨氏弹性模量？

l 超声波硬度计的测试原理

l 当前超声波硬度计的主流品牌及型号有哪些？

l 中国超声波硬度计的发展现状

l 时代之峰超声波硬度计TIME5620的产品性能和特点

l 超声波硬度计的使用注意事项

l 超声波硬度计的校正方法

l 超声波硬度计的发展趋势

 

 

 

 

 

 1.1什么是金属的硬度？

l                

        硬度是金属材料力学性能中*常用的一个性能指标。

l     硬度检测又是*迅速*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。

l     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、塑性形变能力和形变强化率等因素在内。

l     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。

l     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。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

为什么要进行硬度试验？

 

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.

 

1.2硬度试验的作用和特点:

  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。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.常见的硬度计有哪些种类？

硬度计名称	布氏硬度计	洛氏硬度计	维式硬度计	努普硬度计	里氏硬度计	邵氏硬度计	巴氏硬度计	韦氏硬度计
标尺符合	HBW	HRA, HRB, HRC, HR45T	HV	HK	HL	HS	HBa	HW
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	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/A	HR=N-h/s	HV=F/A	HK=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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

布洛维硬度计在同一式样上测试后的压痕

 

 

3.传统硬度计的优缺点：

l 3.1）常规台式硬度计的优缺点？

l 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。

l 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

l 由于比较笨重，没有便携性可言，不适用于现场测量。

l 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45秒，维式是在200秒，布氏大约300秒，不适合于快速的批量测量。

l 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。

 

 

l 3.2）常规便携式硬度计的优缺点？

l 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。

l 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，测试时间长的缺点。

l 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。

l 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。

l 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。

 

 

 

 

我们面临的问题和困惑

 

l 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？

l 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？

l 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？

 

 

超声波硬度计

（ULTRASONIC Hardness Tester)

l    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。

 

 

4.1 谁发明了超声波硬度计？

   1961年Dr. Claus Kleesattel(1917-2003)发明了UCI(Ultrasonic Contact Impedance )法—超声接触阻抗法来快速比较测量金属材料的硬度。

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:

欧洲的DIN 50159-2-2008;

美国的ASTM-A1038-2005；

中国的JB/T 9377-2010; JJG-1432-2013

超声波硬度计的特点：

“吴广快搞”

1）无损检测;

     测试压痕小、肉眼几乎看不到。

2）应用广泛;

     几乎可以覆盖所有的金属硬度检测，还可 以测量部分陶瓷和玻璃。

3）测量快捷;

手动测量只需要2秒钟，电动测量只需要5秒钟。

4）测量精度高;

可达+-1HR；

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. 什么是超声波？声波和次声波？

l 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20～20K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”。

l 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,**,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。

 

 

5.3什么是杨氏弹性模量?

l 杨氏模量(Young's 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。

l 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。

l 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。

l 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

 

 

超声波硬度测量法的测量结果的书写表示方法：

 

例子：300HV2(UCI),  580HV10(UCI), 290HV5(UCI), 970HV0.3(UCI)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. 超声波硬度计的测试原理

 

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。

 

6.1超声波硬度计压头示意图

 

 

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。

 

6.2超声波硬度计理论计算公式

 

 

6.3 超声波硬度计探头原理示意图

 

 

 

 

 

 

 

6.4UCI测量法：硬度与频率变化曲线图

 

幻灯片24

7.当前超声波硬度计的主流品牌及型号有哪些？

 

品牌	KK/GE (Krautkramer)	BAQ Alpha	NewSonic	JFE (川铁)	MET (Phase II)	Sautron	Sinowon
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	SonoDur	SH21	MET-U1A	Handytest UCI1500	TIME5620
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、日本的几个公司掌握。

 

8.中国超声波硬度计的发展现状:

l 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**代指针式的超声波硬度计。

l **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**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。

 

 

l 中国生产销售超声波硬度计的产地主要有3个地方，一个是东莞，一个是营口，一个是时代。

 

 

 

超声波硬度计TIME5620产品介绍

 

 

时代之峰-超声波硬度计-TIME5620

l  测量精度高——可达±3% HV,±1.5HR,±3%HB

l  测试压痕小——需用高倍显微镜才能观察到

l  测量速度快——可在 2 秒内输出测试结果

l  大屏幕显示——直接显示当前测量值、累计测 量值、*大值、*小值、平均值及上下偏差  

l  操作简便——不需要专业培训即可上手测量

l  稳定性高——中旺郑重承诺保固期长达两年

l  海量存储——可同时存储2000组测量数据

l  校正简单——可存储20组校正数据供调用无须再浪费时间对同一材料反复进行校正

 

 

 

 

9.超声波硬度计TIME5620的产品性能和特点：

产品名称	超声波硬度计
型号	TIME5620
货号	882-121
真实试验力	2Kgf(可选1Kgf、5Kgf、10Kgf)
测量范围	HV 50～1599 ; HRC20～70 ; HB85～550; HRB: HRA: HS: Mpa:
测量精度	HV:±3%HV; HRC:±1.5HRC; HB:±3%HB
压头规格	136°金刚石压头
测量方向	支持360°
数据存储	可存储2000组测量数据和20个校准值
硬度标尺	HV、HB、HRA, HRB, HRC, HS, Mpa等
数据显示	测量值、*大值、*小值、平均值、上偏差、下偏差等Maximum、Minimum、deviation and conversion scale.
持续工作时间	10小时（不开背光灯）
硬度值读取	LCD显示屏显示
适用环境	温度：-10℃~50℃;  湿度:30%~80%
工作电压	DC5V(4000muA)
外形尺寸	160x80x31mm
重量	500g（不包括探头）

TIME5620探头HP-K 测头技术参数:

 

 

测头类型	HP-1K	HP-2K	HP-5K	HP-10K
货号	882-311	882-321	882-331	882-341
配置	选配	标配	选配	选配
真实试验力	10N	20N	50N	98N
直径	22mm	22mm	22mm	22mm
长度	154mm	154mm	154mm	154mm
谐振棒直径	2.4mm	2.4mm	2.4mm	2.4mm
测量面*大粗糙度	Ra<3.2um	Ra<5um	Ra<10um	Ra<15um
工件*小重量	0.3kg	0.3kg	0.3kg	0.3kg

 

TIME5620电动测头MP系列技术参数

测头类型	MP-300	MP-500	MP-800	MP-1000
货号	882-311	882-321	882-331	882-341
配置	选配	选配	选配	选配
真实试验力	3N	5N	8N	10N
直径	22mm	22mm	22mm	22mm
长度	154mm	154mm	154mm	154mm
谐振棒直径	3.5mm	3.5mm	3.5mm	3.5mm
测量面*大粗糙度	Ra<1um	Ra<1um	Ra<1um	Ra<1um
工件*小重量	0.3kg	0.3kg	0.3kg	0.3kg

 

超声波硬度计HP-K探头的应用领域：：

负荷	模式	特性	典型应用
98 N	标准长度（手动）	压痕较大，对表面要求*低	小型锻件、铸造材料、焊缝检查、热影响区
49 N	标准长度（手动）	常用	感应硬化或渗碳零件，如凸轮轴、涡轮焊缝检查、热影响区
	长探头（手动）	延长30mm	测量凹槽、齿侧和齿根
	短探头（手动）	长度缩短（90mm），电子元件分离式布置	涡轮叶片、直径大于90 mm的管道内壁
9.8 N	标准长度（手动）	容易加压，提供小半径测试的控制	离子渗氮冲模、模壳、夹具、薄壁件
	长探头（手动）	延长30mm	轴承、齿侧
	短探头（手动）	长度缩短（90mm），电子元件分离式布置	涡轮叶片、直径大于90 mm的管道内壁
7.8 N	电动探头	电机加载	光滑的精密零件、齿轮、轴承滚道
3 N	电动探头	电机加载，凹痕更小	薄层，如钢筒上的铜或铬；铜轮转影印筒；镀层、表面硬化件
1 N	电动探头	电机加载，凹痕更小	薄层和镀层

 

 

TIME5620标准硬度块技术参数：

硬度值范围	货号#	均匀度	粗糙度	硬度块尺寸
(28~35)HRC	882-611	±1.5HRC	Ra=0.02um	Ø90x16mm
(38~43)HRC	882-621	±1.5HRC	Ra=0.02um	Ø90x16mm
(48~53)HRC	882-631	±1.5HRC	Ra=0.02um	Ø90x16mm
(58~63)HRC	882-641	±1.5HRC	Ra=0.02um	Ø90x16mm

 

TIME5620产品特点：

l 1）对被测工件表面无损伤 、操作简便、稳定性好、测试精度高；

l 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；

l 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；

l 4）布、洛、维三种制式转换；

l 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；

l 6）可手持测头直接对工件进行检测。

 

美标:ASTM  A1038-2005、欧标 DIN 50159-1-2008、中国行标JB/T 9377-2010误差对比分析：

超声波硬度计 欧标DIN 50159-2-2008示值误差要求(%)
硬度标尺	﹤250HV	250～500HV	500～800HV	﹥800HV
HV0,1	6	7	8	9
HV0.3	6	7	8	9
HV0,8	5	5	6	7
HV1	5	5	6	7
HV5	5	5	6	5
HV10	5	5	5	5

 

超声波硬度计ASTM  A1038-2005误差要求

 

 

中文翻译：

15. 检验

15.1 检查UCI硬度计，要使用选定的标尺在标准块上进行至少两次测量。

15.2 如果每一个数值的误差在标称值的±3%以内，可认为合格。不合格品不得用于检测，需修补或进一步检验

JB/T 9377-2010超声波硬度计示值误差及示值重复性要求
硬度范围	示值误差的*大允许值	示值重复性的*大允许值
150HBW～350HBW	±15%	15%
﹥350HBW～540HBW	±10%	10%
150HV～200HV	±15%	15%
﹥200HV～400HV	±10%	10%
﹥600HV～999HV	±3%	3%
25HRC～35HRC	±2.0HRC	2.5HRC
40HRC～50HRC	±2.0HRC	2.5HRC
55HRC～65HRC	±2.0HRC	2.5HRC

 

从三大标准看硬度块的差异：

标准	标准块尺寸	标准块重量	标准块镜面度
ASTM A1038-2005	﹥￠80x16mm	615g	12K
DIN 50159-1-2008	﹥￠90x16mm	800g	12K
J/BT 9377-2010	无明确论述	无明确论述	无明确论述

 

中国计量科学研究院检定报告：

 

 

中国计量科学研究院（NIM)对超声波硬度计TIME5620样机的检定结果数据 TIME5620 随机样机编号(S/N: 88211100100) and 1Kg探头 (S/N: 88210100100) 检定证书编号.: LSyd2013-1001
硬度块编号	硬度块示值	硬度计示值	示值误差(%)	示值重复性(%)
HL1301-005	756HV5	758HV5	0.3%	0.9%
LL1301-006	186HV5	182HV5	2.2%	1.1%

 

中国计量科学研究院出具的时代之峰超声波硬度计检定报告书：

 

 

10.超声波硬度计的使用注意事项

l 10.1试样的制备

l —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 %（Ra≤0.3×h）其中

l 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。

 

 

 

l                                                      公式2

l 表1提供了适合特定UCI维氏探头的*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**。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。

l           表1：不同试验力的对式样表面的粗糙度要求：

 

 

 

 

测试负荷	98 N	50 N	10 N	3 N
Ra	≤15 µm	≤10 µm	≤5 µm	≤2.5 µm

 

l 10.2*小厚度:

l 较大材料的薄镀层或表面层必须达到*小厚度，即凹痕深度的十倍（维氏凹痕见图3）。符合：Smin = 10×h

 

 

 

图3 在1N到98N的不同负荷下，维氏金刚石的压痕深度

10.3*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2~3mm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*小质量或者部分厚度小于*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。

幻灯片41

10.5表面曲率：

带曲面试样的凹面和凸面都可以进行测量，需要与曲率半径相配的探头和探头附件来保证垂直。

  

   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。

幻灯片42

11.超声波硬度计的校正方法

l 11. 1为其他材料校准

l     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。

l     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，TIME5620允许存储20组的校准数据，需要的时候调用即可。

 

l 11.2 UCI与HV硬度测试方法对比:

l     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。

 

l     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。

 

l     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方法来测量, 来检定UCI的测量是否准确。

 

 

11.3关于用户特殊材料工件的标定

 

 

12.超声波硬度计的发展趋势：

发展趋势	产品特点
智能化	显示终端操作系统化、支持USB、蓝牙、WIFI、支持多语言，智能识别不同测头，支持存储调用多种材料的校正数据，支持自动识别和调用校正数据
电动化	自动测头：马达加载，减少测量误差。尤其是小试验力电动测头的发展是未来发展趋势。
多标尺化	支持多标尺直接测量：支持里氏硬度测头进行HL标尺直接测量； 支持肖氏硬度测头进行HS标尺直接测量。

 

13.超声波硬度计的应用行业及典型客户

 

 

 

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