超声波硬度计测量理论介绍 (UCI法)

1原理介绍—超声接触阻抗法(UCI法)

1.1 UCI法

为解决台式维氏硬度计测试时间长，压痕观察对操作人员要求高，无法现场测量的问题，1961年，美国人Dr. Claus Kleesattel发明了UCI超声阻抗测量原理，由超声阻抗测量原理设计的硬度计称之为超声波硬度计。

UCI超声阻抗测量原理是使用弹簧产生维氏硬度测量所需要的试验力，试验力通过一根振动杆施加到用户工件上，在振动杆前端镶嵌着136度的标准金刚石压头，金刚石压头在工件上形成维氏菱形压痕。压痕的对角线长度与维氏硬度对应，压痕对角线长度与振动杆的频率变化成对应关系，因此从振动杆的频率变化可以得知工件的硬度。

因为使用了标准维氏压头和试验力，因此超声波硬度计可以直接测量出工件的维氏硬度。超声波硬度计是维氏硬度计的一种。

1.2 UCI硬度测试

以固定的压力，作用于经校准且装有特定压头（如维氏金刚石）的振动杆，来测量硬度。

1.3校准

通过与常规台式硬度测试结果、或一套标定过的硬度块作比较，检定UCI仪器重要参数的特定值。                                             

1.4表面质量

指表面粗糙度，即轮廓算术平均偏差Ra。

2重要性和适用性

材料的硬度值取决于所用的方法，为避免创建新的硬度标尺，UCI法把结果转换为常用硬度，如HV和HRC。

UCI硬度测试只能测量接触表面的硬度，特定位置的结果不能代表其他位置，更不能体现材料内部的信息。

UCI硬度测试可用于大小零件的各种表面，包括难以到达的位置，如齿侧或齿轮根部。

3 UCI硬度测试的仪器和方法概述

3.1仪器

UCI法的仪器通常包括：(1)一个包含振动杆的探头，杆的接触端装有压头，可以是符合 E 92和E 384标准的维氏金刚石；(2)激振装置；(3)振动检测装置；(4)数据处理电路；(5)数字式显示屏，显示测得硬度值。

3.2 UCI探头

探头的规格很多：其静载荷通常为1 N到98 N，根据不同应用，有不同长度的传感器杆。 

3.3方法概述

在常规台式硬度测试（如按照E 10、E 92和E 384的布氏或维氏测试）中，硬度值取决于在材料上加一定载荷又卸载之后，对凹坑面积的光学测量。在UCI便携式测试中，测量凹坑面积不是用光学方法，而是通过衡量超声共振的频率改变。执行UCI测量时，探头内的振动杆由压电陶瓷激励，作纵向超声振动，频率在70kHz左右。这就是0频率，发生在压头处于空气中的时候。

探头内的弹簧提供特定载荷，振动着的末端压入被测材料，产生弹性接触，导致振动杆频率改变。此改变与凹痕面积（压头与材料的接触面积）有关。这个面积对应着给定了弹性系数材料的硬度，见公式1。

实线表示未接触时的纵向振幅，虚线表示接触时的纵向振幅

T为压电传感器，R为接收器，O为振动杆，V为压头，m为被测金属

图1 UCI探头示意图

公式1

因此，较硬材料上的频率变化相对较小，因为凹痕较浅。凹痕越深，频率变化越大，略大的凹痕代表中等硬度。类似的，软材料上的凹痕是较大的。

当手持式探头的相应测量频率触发内部开关或自动探头加载一定时间后，特定负荷的加载完成，仪器持续地监控共振频率、计算频率改变，最后显示出硬度值。

测量系统的弹性模量一定时，对于特定压头，如维式金刚石，频率改变量是凹痕大小的函数。

公式1描述了和维氏硬度的对比关系。Δf = 频率变化；A = 凹痕面积；Eeff = 有效弹性模量（包括压头和被测材料的弹性常数）；HV = 维氏硬度值；F = 负荷。

3.4弹性模量的影响

由公式1可见，频率改变不仅与接触面积有关，也与接触材料的弹性模量有关。对于杨氏模量不同的材料，需要校准仪器。校准之后的UCI法适用于所有弹性模量的材料。UCI仪器通常被人为校准到适于非合金钢和低合金钢，即遵循E 92测试方法的硬度块。此外，一些仪器可通过现场的快速校准用于其他金属，如高合金钢、铝和钛。

4为其他材料校准

准备特定材料的硬度块，其硬度值已由常规台式方法如维氏、布氏或洛氏中的一种确定，见A 370。校准平均硬度值至少需要5个读数。按照设备使用说明，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，一些仪器允许存储所有的校准数据和调整参数，需要的时候调用即可。

5与其他硬度测试方法对比

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。如按照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。在此种情况下，需要特殊的准备或探头附属装置来保证实际负荷的准确性。

6 UCI法的特点

直接测试工件的维氏硬度值，不需要像里氏、肖氏硬度计需要转换。消除了转换误差。

Ø 测试速度快，最快1S出数

Ø 标准维氏压痕，压痕小，对工件损伤小

Ø 测试结果与工件的弹性模量有关，更换材料需要根据弹性模量进行校准。

Ø 体积小，重量轻，便于携带

Ø 易于实现在线测量

Ø 可用于现场测量和大型工件的测量。包括难于达到的地方，如齿侧或齿轮根部

Ø 测量接触表面的硬度，特定位置的结果不能代表其他位置，更不能体现材料内部的信息

单片机技术的发展，使得弹性模量校准变得容易。