Контрактометр для определения внутренних напряжений в покрытиях

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности. Цель достигается за счет фиксации рабочего элемента во время полимеризации и твердения покрытия. Контрактометр содержит рабочий элемент 1, выполненный в виде ленточной спирали заданной длины, ширины и толщины, на концах которой закреплены держатели 4 и 11, установленные на основании 2. Второй держатель 11 связан с регистрирующим элементом 7. 2 ил.

Изобретение относится к средствам измерения механических характеристик, а именно к устройствам (контрактометрам) для определения внутренних (остаточных) напряжений в покрытиях. Известны различные устройства для определения остаточных напряжений в покрытиях [1 5] Принцип действия этих устройств заключается в том, что в процессе наращивания покрытия измеряют деформацию подложки, по которой судят об уровне остаточных напряжений в покрытии. Подложка простой формы, выполняется чаще всего в виде прямолинейного стержня или пластины. Данные устройства используются в основном для исследования металлических покрытий. Что касается полимерных и лакокрасочных покрытий, отличающихся от металлических покрытий на 2 3 порядка более низкими значениями остаточных напряжений, то применение таких устройств ограничивается низкой чувствительностью и высокими требованиями к точности приборов для измерения деформации подложки, а также необходимостью использования тонких подложек и, как следствие, возможностью исследования тонких пленок малой плотности, так как в противном случае сила тяжести может быть соизмерима или даже превысить остаточные напряжения в пленке. Наиболее близким техническим решениям к предлагаемому является прибор для измерения внутренних напряжений в покрытиях [5] выбранных в качестве прототипа, содержащий основание, установленный на нем держатель для консольного закрепления плоского металлического образца, механизм для задания поперечных плоскости образцов сил, уравновешивающих внутренние напряжения, с электрическим индикатором равновесия и динанометром для измерения сил. В отличие от устройств-аналогов [1 4] принцип действия приборов [5] основан на измерении силы, необходимой для возврата деформированной после нанесения покрытия подложки в исходное положение. Известный прибор (контрактометр) неприемлем для полимерных и лакокрасочных покрытий, так как имеет следующие недостатки: 1) не может быть использован для измерения небольших остаточных напряжений (до 5 МПа); 2) для повышения точности измеряемого напряжения необходимо одновременно увеличить длину и уменьшать толщину консольно закрепляемого металлического образца, что практически невозможно, так как система становится неустойчивой и неуправляемой; 3) при наращивании покрытия также теряется устойчивость, возникают колебания и неопределенные смещения свободного конца стальной пластины; 4) величина внутреннего напряжения, определяемая по усилию, необходимому для возвращения изогнутой после полимеризации покрытия подложки в исходное положение, не может считаться корректной для всех видов покрытий в виду того, что изгиб подложки вызван сжимающими внутренними напряжениями, а действие сил вызывает растяжение покрытий; 5) нанесение и полимеризация покрытия вне прибора, необходимость вследствие этого прецизионной установки образца с держателем в основание в первоначальное положение, вызывает нерегламентируемую погрешность измерения внутреннего напряжения; 6) погрешность измерения, зависящая также от толщины пластины, толщины, массы и количества слоев покрытия, положения пластины при нанесении покрытий составляет как правило 40 80% Цель изобретения повышение точности определения остаточных напряжений в лакокрасочных и полимерных покрытиях. Ее достижение обеспечивает возможность измерения малых и больших значений остаточных напряжений с погрешностью в 4 8 раз меньше, чем получаемой на известных контрактометрах. Поставленная цель достигается тем, что в контрактометр, содержащие основание, рабочий элемент, установленный на основании держатель, связанный с одним концом рабочего элемента, предназначенного для нанесения покрытия, и регистрирующий элемент, вводят второй держатель, связанный с другим концом рабочего элемента, второй держатель связан с регистрирующим элементом, а рабочий элемент выполнен в виде ленточной спирали. Введение второго держателя в конструкцию контрактометра позволяет за счет обеспечения неподвижности рабочего элемента довести до конца процесс полимеризации покрытия, избавиться от неустойчивости и колебаний рабочего элемента в ходе нанесения покрытия. Второй держатель связан как с рабочим, так и с регистрирующим элементом. Рабочий элемент контрактометра выполнен в виде ленточной спирали. Спираль может иметь требуемый радиус, число витков и толщину ленты, что обеспечивает необходимую чувствительность контрактометра и точность определения остаточных напряжений в полимерных и лакокрасочных покрытиях. На фиг. 1 и 2 изображен контрактометр для измерения внутренний напряжений. Контрактометр содержит рабочий элемент 1 в виде спирали заданной длины, ширины, толщины: основание 2 в виде штатива, в котором выполнено подвижное кольцо 3 с держателем 4 для крепления нижнего конца спирали 1; стопорное кольцо 5 для закрепления подвижного кольца 3 в нужном положении, например соответствующем нулю на индикаторе. На верхней плоскости основания 2 выполнена шкала 6 в единицах напряжения (МПа) или угла закручивания (рад). По оси держателя 2 над верхней ее плоскостью (над шкалой 6) выполнен регистрирующий элемент 7, 8 и 9 закрепленный с помощью подшипника и стопорных винтов 8 и 9. Регистрирующий элемент 7 снабжен индикаторной стрелкой 10 и вторым держателем 11 для крепления второго конца спирали 1. Элементы устройства защищены от лакокрасочного покрытия с помощью кожуха с прорезями для возможности его установки и снятия в условиях полной сборки устройства. Контрактометр работает следующим образом. Снимают кожух и регистрирующий элемент 7. Закрепляют нижний конец спирали 1 в держателе 4. Устанавливают регистрирующий элемент 7 и закрепляют верхний конец спирали 1 в держателе 11 с помощью стопорного винта 8. С помощью подвижного кольца 3 устанавливают индикаторную стрелку 10 в положение "0" на шкале 6. Подвижное кольцо закрепляют с помощью стопорного кольца 5, а регистрирующий элемент 7 с помощью стопорного винта 9. Устанавливают защитный кожух. На наружную поверхность кольца наносят покрытие. После полимеризации покрытия отпускают стопорный винт 9. За счет внутреннего напряжения регистрирующий элемент поворачивается, и по индикаторной стрелке определяют величину внутреннего напряжения. Принцип работы контрактометра. Рабочий элемент (ленточную спираль) изготавливают из стальной пластины длиной l 2,3 м, шириной 5 · 10^-3 м и толщиной h 5 · 10^-4 м, свернутой в спираль радиусом r 2 · 10^-2 м, с числом витков n * 18, устанавливают в контрактометр, наносят покрытие. После нанесения и полимеризации покрытия толщиной S верхний конец спирали освобождают от закрепления и по углу закручивания (α рад) этого конца определяют остаточные напряжения в покрытии по следующей формуле
Модуль упругости E стальной спирали намного больше модуля упругости покрытия. Удлинение спирали после освобождения из фиксатора верхнего конца соответствует сжимающим остаточным напряжениям в покрытии. И наоборот, уменьшение длины спирали говорит о том, что остаточные напряжения в покрытии растягивающие. Относительная погрешность определения остаточных напряжений в полимерных и лакокрасочных покрытиях с помощью предлагаемого контрактометра составляет 6 10% при заданной абсолютной погрешности измерения угла закручивания спирали Δα 0,02 рад. Применение изобретения позволяет измерять остаточное напряжение полимерных и лакокрасочных покрытий и существенно повысить точность результатов определений.

Формула изобретения

Контрактометр для определения внутренних напряжений в покрытиях, содержащий основание, рабочий элемент, установленный на основании держатель, связанный с одним концом рабочего элемента, предназначенного для нанесения покрытия, и регистрирующий элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен вторым держателем, связанным с другим концом рабочего элемента, второй держатель связан с регистрирующим элементом, а рабочий элемент выполнен в виде ленточной спирали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 2-2002

Извещение опубликовано: 20.01.2002        

---