Способ определения деформации поверхностиобразца материала

 

Союз Советских

Социалистических

Республин

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЛЬСТВУ

«»848994 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)м. к (22) Заявлено 290679 (21) 2788128/25-28 с присоединением заявки ¹

G 01 В 7/18

С 01 L 1/20

Государственный комитет

СССР

II0 делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 230781, Бюллетень тв 27

f53) УДК 531. 781..2(088.8) Дата опубликования описания 230781

l 1

i

l (72) Автор изобретения

А.Я.Гохштейн.!

h

1 il

- /

Институт электрохимии AH СССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ

ОБРАЗЦА МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения деформации поверхности образца материала. .Известен способ определения деформации поверхности образца материала, заключающийся в том, что приводят в контакт с образцом электрод, образец помещают в электролит, нагружают его и регистрируют изменение потенциала электрода, по которому судят о деформации поверхности образца материа-. ла Г1). . Недостатком данного способа являются низкая точность определения деформа- 15 ции и низкая достоверность получаемых данных, связанных с тем, что величина объемной составляющей изменения потенциала электрода при упругой деформации материала на два порядка ниже величины поверхностной составляющей и нелинейно зависит от нагрузкие

Использование обратимой поверхности составляющей изменения потенциала электрода также дает низкую точность и достоверность результатов измерений, так как для нее имеет место сильная, вплоть до изменения знака, зависимость ее величины ЗО от адсорбции частиц среды на поверхности образца.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения деформации поверхности образца материала, заключающийся в том, что приводят электрод в соприкосновение с исследуемым образцом материала с трещиной, нагружают образец, регистрируют разность потенциалов между образцом и электродом, по которой судят о деформации (2) .

Однако способ имеет сравнительно низкую точность, связанную с невозможностью вбспроизведения эксперимента для получения требуемого объема данных в связи с разрушением образца.

Цель изобретения — повьхаение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что на исследуемый участок поверхности, ограниченный замкнутой линией, помещают жидкую обратимую окислительно-восстановительную среду, в контакт с которой приводят электрод, регистрируют разность потенциалов между образцом и электродом до и во время изменения деформации, по различию кото848994 рых судят о деформации. Кроме того, при исследовании образцов иэ железа, никеля, кобальта, титана, хрома, ванадия, ниобия, молибдена, вольфрама, тантала, рения, их сплавов и образцов .с покрытиями из этих материалов в качестве жидкой окислительно-восстано " вительной системы применяют водный раствор гексацианоферратов калия.

Причем, с целью испытания образцов из диэлектрика, поверхность образцов перед испытанием покрывают слоем электропроводного материала.

На чертеже показано устройство, реализующее способ определения деформации поверхности образца материала на примере измерения деформации 15 поверхности колеблющегося камертона.

Камертон 1 расположен горизонтально и закреплен своим основанием в штативе 2. Его ветви 3 и 4 лежат в вертикальной плоскости. На верхней ветви 3 камертона 1 нанесена жидкая обратимая окислительно-восстановительная система в виде капли 5, с которой контактирует электрод б. Разность потенциалов между камертоном

1 и электродом б подается на вход избирательного усилителя 7, настроенного на определенную частоту. Выход усилителя 7 соединен с выпрямителем

8, подключенным ко входу осциллографа 9.

Способ определения деформации поверхности образца материала основан на том, что в электрический сигнал преобразуют не деформацию., а вызванное ею локальное изменение температуры образца. Для преобразования используют жидкую обратимую окислительно-восстановительную систему, представляющую собой гомогенную смесь окисленной и восстановленной форм вещест- 4О ва, способных переходить друг в друга йа электроде, например раствор, в котором одновременно присутствуют одинаковые по составу ионы, несущие разные заряды из-за пребывания одного из элементов в двух валентных состоя-, ниях. В частности, такими свойствами обладает система

О 1мк rg(cм)ь+o,tMк ee(cи(50

В контакте с окислительно-восстановительной системой происходит пассивация образца с образованием тонкой электропроводной защитной пленки на его поверхности. у тех металлов, у котбрых такая пленка образуется на воздухе, она сохраняется в окисли- тельно-восстановительной среде. Указанная пленка делает образец практически инертным, обратимым электродом по отношению к окисленной и восста- 60 новленной формам, остающимся в растворе. В этих условиях электрохимические процессы на образце и обусловленный ими скачок потенциала íà границе образца с окислительно-восста- 65 новительной. системой не зависят от химического состава образца.

На образцы из железа, кобальта, никеля, титана, хрома, ванадия, ниобия, молибдена, вольфрама, тантала, рения и их сплавов такое действие оказывает раствор гексацианоферратов.

На каждом из этих образцов в месте (контакта с раствором протекает один и то же электрохимический процесс.

t:e(cN)ü+ e. Fe(cu)4-+

1 где W — количество тепла, выделяющееся на поверхности образца.

Влияние концентрации гексацианоферратов на величину W мало, а в диапазоне концентрации от 0,02 до 0,2 М каждой из солей W постоянно,,и при

20 С W = +10 ккал/фарадей = + 0,43 В.

Образцы из перечисленных металлов готовы к измерению практически сразу после смачивания их раствором. Более длительна пассивация, например, образцов из алюминия, которая требует нескольких минут.

Вспомогательным электродом может служить любой металл, инертный по отношению к раствору гексацианоферратов, в частности один из вышеперечисленных металлов, пассивных в этом растворе, металлы группы платины и золото, а также, например, никель.

Если электрод заведомо инертен, то отсутствие (с точностью до 0,01 В) станционарной разности потенциалов между ним и образцом в растворе yi

При испытании образцов с гальваническим покрытием, например хромированных латунных образцов, отличие стационарной разности потенциалов от нуля свидетельствует о дефекте покрытия в данном месте, в этом случае измерения необходимо проводить ,на другом участке.

Помещение жидкой обратимой окисли1 тельно-восстановительной среды на образец осуществляют либо в виде кanли раствора, либо в виде эластичного, пористого стержня, например, из волокнистого материала, наполненного раствором.

При произвольном неравномерном распределении деформации вдоль поверхности изотропного, например поликристаллического образца, адиабатическое, т.е. достаточно быстрое изменение температуры в некоторой точке деформируемой поверхности.

848994

50 ц-(4» д р )gyp (ъ7 у — при 72, (<) . 3, = х/д д = fBD/cu, (s) 55 где,@в коэффициент линейного теплового расширения материала образца; 60 модуль упругости материала образца, теплоемкость материала образца, плотность материала образца; Я пропорционально, относительному изменению площади поверхности в данной точке. Если — площадь малого участка поверхности, ограниченного замкнутой линией, ab.Q — приращение Я в результате деформации, то относительное изменение площади а Ч = ь Й /Q

Если при деформации изменяют только форму участка, но не его площадь, то hV = О, и температура участка не изменяется. Это имеет место в окрест- ности, например, нейтральной поверх!

О ности при изгибе, что дает возможность определять ее положение для образцов сложной формы.

Окислительно-восстановительный потенциал зависит от температуры на границе образец — раствор. Электрод не подвергается деформированию и его температура постоянна. Поэтому регистрируемое малое изменение разности потенциалов между исследуемым участ- 20 ком образца и электродом пропорционально относительному изменению площади поверхности на исследуемом участке и не зависит от размеров этого участка 25

6V = ЬР .Q/W В- P„ (1) гдето Р— малое измерение разности потенциалов между исследуемым участком образца и электродом

8 — безразмерный параметр материала образца;. коэффициент, учитывающий распределение тепла между образцом и раствором, Р— коэффициент, учитывающий перенос тепла в образце, обусловленный неоднородностью . деформации.

Обычно Q,Р и В в 1. В этом случае

Д Р

h V где W = 0,43 В. для окислительно-восстановительной системЫ в виде водного раствора гексацианоферратов.

Точный Расчет для случая измеРения .45 деформации при гармонических колебаниях может быть приведен по следующим формулам;

К вЂ” теплопроводность материала образца;

0 к /йр- коэффициент температуропроводности образца;

4d - угловая частота колебаний образца;

О - расстояние, на котором амплитуда температурных волн в образце ослабевает в е раэ) — толщина образца.

При Х t) dp «k . Величины К, G,P беэ индекса относятся к образцу, с индексом 5 — к раствору. Формула дляо"дает оценку границ применимости данного способа при точности измерений порядка е .;д представляет собой, во-первых, минимальное расстояние между точками поверхности,на которых могут быть с помощью данного способа проведены измерения, и, вовторых, максимальную высоту неров-. ностей, при которой шероховатость поверхйости еще не искажает результатов измерений. При испытаниях металлических образцов с гальваническим покрытием, толщина которого много меньше П, в приведенные формулы следует подставлять параметры подложки.

При периодическом изменении деформации избирательная регистрация разности потенциалов на нескольких частотах позволяет измерить данным способом распределение деформаций по образцу при раэных модах его колебаний. Способ может быть применен также и при однократном измерении деформации, при этом для приближенной оценки д в соответствующую формулу вместо Ы следует подставить 4 /б, где u — период времени, ° за который произошло изменение деформации.

П р И м е р . Проводят измерение деформации поверхности камертона, изготовленного из углеродистой стали

65. Сечение каждой из. ветвей 3 и 4 камертона 7 х 3,8 мм, длина паза между ветвями 81 мм, собственная частота 440 Гц. Поверхность камертона отшлифовывают, класс шерохова-, тости 7, перед испытанием поверхность обезжиривают ацетоном.

На горизонтальную поверхность верхней ветви 3 на расстоянии 60 мм от свободного конца наносят каплю

5 воднаго раствора О, 1 н К, Ге (CNg +

+ 0,1 И Kq Fe (CN7e . Дйаметр круга, занятого каплей 5 на.поверхности камертона 1, равен 1 мм. Измеренная до возбуждения колебаний разность потенциалов между электродом 6 и камертоном 1 равна нулю с.точностью до 3 мВ, что указывает на требуемую для измерений пассивацию поверхности. Путем удара по камертону 1 в его ветвях 3 и 4 возбуждают затухающие иэгибные колебания. Избирательный усилитель 7 настраивают на частоту 440 Гц.

848994

4П =ЧДЕ =Y V= SOXrtCW

Формула изобретения г

Составитель С.Сурков

Редактор А.Шишкина Техред С.Мигунова Корректор В.Бутяга

Заказ 6075/52 . Тираж 642 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Одновременно с помощью микроскопа измеряют максимальную амплитуду колебаний на конце верхней ветви 3 камертона 1 йЬ. При4Ь = 0,086 мм

Ь Р = 8,5 мкВ. Результат измерения не изменяется после разбавления раствора вдвое, что подтверждает отсутствие побочных эффектов. Вычисление по приведенным формулам дает значение деформацни (в условиях изгиба ьЧ =46 ) 4E "-(-)2,51 ° 10 5 Это дает воэможность оценить также и амплитуду механических напряжений в точке ,измерения

Вычисление d дает величину 0,245 мм.

В соответствии с расчитанным со минимально возможное расстояние между томками измерения составляет 0,25 мм.

Применение изобретения позволяет повысить точность определения деформации за счет того, что используется зависимость разности потенциалов не от упругой деформации, а от температуры, которая является независимым параметром состояния.

1. Способ определения деформации поверхности образца материала, заключающийся в том, что приводят в контакт с образцом электрод, нагружают образец, регистрируют разность потенциалов между образцом и электродом, по которой судят о деформации, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с це,лью повышения точности измерений, на исследуемый участок поверхности, ограниченный замкнутой линией, помещают жидкую обратимую окислительно-восстановительйую среду, в контакт с которой приводят электрод, регистрируют разность потенциалов между образом и электродом до и во время изменения деформации, по различию которых судят о деформации.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что при исследовании

15 образцов из железа, никеля, кобальта, титана, хрома, ванадия, ниобия, молибдена, вольфрама,. тантала, рения, их сплавов и образцов с покрытиями иэ этих материалов в качестве жидкой

2О окислительно-восстановительной системы применяют водный раствор гексацианоферратов калия.

3. Способ по и. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью испытания образцов из диэлектрика, поверхность образцов перед испытанием покрывают скроем электропроводного материала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гохштейн А.Я. Заряжение упруго деформируемого электрода.-Доклады

AH СССР, 1969, т. 187, 9 3, с. 601 .

2. Заводская лаборатория. 1978, 9 1, с. 95-97 (прототип).