Способ определения остаточных напряжений при травлении Советский патент 1991 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения остаточных напряжений в поверхностных слоях образцов при их травлении.

Цель изобретения - повышение точности за счет устранения температурных деформаций образца.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - временные диаграммы изменения температуры Ti исследуемого образца и температуры Т2 электролита в процессе травления и соответствующая им временная диаграмма включения тока травления I

Способ осуществляют следующим образом.

Остаточные напряжения определяют в образцах, вырезаемых из контролируемой детали. Образец 1, являющийся анодом, ванна 2 с электролитом 3, катод 4 - пластина из свинца и источник постоянного тока 5 образуют электрохимическую ячейку, обеспечивающую послойное удаление поверхностных слоев образца электрохимическим травлением. Для осуществления этого процесса образец 1 укрепляют в ванне 2 с электролитом 3 с помощью приспособления-захвата 6. В ходе процесса определения остаточных напряжений непрерывно измеряют деформацию f и температуру Ti образца 1, а также температуру электролита Т2. Для определения остаточных напряжений в образцах в виде полосок или колец используются зависимости, из которых следует, что остаточные напряжения являются функцией приращения деформаций образца по толщине удаленного (стравленного) слоя, т.е.

о - f( тг ) -Толщина стравленного слоя а в

процессе травления не измеряется а определяется расчетом по закону Фарадея в предположении, что скорость травления поверхностных слоев образца постоянна. Это условие обеспечивается выбором и поддержанием режимов процесса электрохимического травления и в первую очередь, тока

со

о

Оч

со N о

Ю

травления I.В процессе электрохимического травления происходит нагрев образца, Наиболее интенсивный в начальный момент после включения тока травления. Нагрев образца даже на несколько градусов по сравнению с исходной, до травления, температурой вызывает его температурные деформации, которые, если их не учесть, суммируются с деформациями от снятия слоев с остаточными напряжениями, что искажает точность определения остаточных напряжений. Для устранения температурных деформаций в течение всего процесса измеряют температуру Ti образца и температуру Та электролита, а интервалы At травления чередуют паузами, во время которых образец остывает до температуры электролита, и в момент равенства температур образца и электролита измеряют дефор- мацию образца. При включении тока травления I в течение весьма короткого времени (5-10 с) происходит нагрев образца на несколько градусов (2-7°С), а затем его дальнейший нагрев существенно менее интенсивен. Электролит же прогревается значительно медленнее (0,5-2°С за 10-15 мин процесса электрохимического травления). Температура Ti нагрева образца и температура Та электролита зависят в первую очередь от плотности тока травления, состава и объема электролита. Обычно интервал травления At имеет длительность 30- 120 с, за это время в зависимости от материала образца, состава электролита и режима травления стравливается слой а толщиной 2-10 мкм. При выключении источника тока температура TI образца снижается и через некоторое время (обычно 60-120 с)становится равной температуре электролита Т2. Несмотря на то, что деформация образца измеряется непрерывно, в вычислительное устройство -вводится только ее значение, соответствующее моменту достижения равенства температур . Это значение деформации используется для расчета остаточных напряжений. После паузы, в течение которой образец остывает и тем самым устраняются температурные деформации, вновь включается источник тока и осуществляется дальнейшее травление образца. Обычно длительность второго и последующих интервалов At травления выбирается равной длительности первого интервала. Вновь при травлении образец нагревает и через 30-120 с процесс прерывается паузой, которая длится до достижения равенства температур , и в этот момент в вычислительное устройство вводится соответствующее значение деформации образца, В такой последовательности осуществляется способ и далее. Интервалы At электрохимического травления, за время которых стравливается поверхностный слой

образца определенной толщины а и при этом он претерпевает деформации за счет удаления слоя Q остаточными напряжениями и нагрева, сопровождающего травления, чередуются с паузами, во время которых

0 при остывании до температуры электролита устраняются температурные деформации образца. В конце каждой паузы в момент равенства температур образца и электролита измеряемая деформация образца ис5 пользуется для расчета остаточных напряжений.

Данный способ реализуется с помощью устройства, содержащего, как уже описывалось выше, электрохимическую ячейку, со0 стоящую из ванны 2 с электролитом 3, анода (образец 1), катода 4, подключенных к источнику постоянного гокэ 5. На поверхности образца 1, не подвергаемой травлению, закреплен приклеиванием датчик температу5 ры 7, а в самом электролите 3 находится второй датчик температуры 8. Поверхности образца, не подвергаемые травлению, а также температурные датчики 7 и 8 защищены от воздействия электролита тонким слоем

0 лака. Для измерения деформации образца предусмотрен соответствующий измерительный канал, который состоит и.з последовательно соединенных датчика деформации 9, преобразователя перемещений 10, АЦП

5 11 и устройства сопряжения 12, связанного информативным выходом с информативным входом вычислительного устройства 13. В свою очередь вычислительное устройство 13 связано управляющим выходом с упрзв0 ляющим входом устройства сопряжения 12 канала измерения деформации и с управляющим входом дешифратора запуска 14 реле времени 15, который управляет через ключ 16 включением источника постоянного тока

5 5. Для измерения и сопоставления температур датчики температуры 7 и 8 включены в мостовую схему 17, которая через компаратор 18 соединена с управляющим входом АЦП 11 канала измерения деформации. Ре0 зультаты определения напряжений выводятся на регистратор 19, с которым связано вторые информативным выходом вычислительное устройство 13.

Устройство реализует способ определе5 ния остаточных напряжений следующим образом.

По заданной программе вычислите ль- ное устройство 13 через управляющий выход воздействует на дешифра гор 14 запуска

так, что на его выходе появляется сигнал включения реле 15 времени, которое череп ключ 16 включает источник 5 постоянно: с тока. Реле 15 времени устанавливает длительность интервалов At гразления,величина которых определяет шаг по толщине образца 1, с каким определяются остаточные напряжения. Включение источника 5 постоянного тока вызывает электрохимическое травление образца 1 в ванне 2 с электролитом 3 на толщину, определяемую силой тока I между катодсм 4 и образцом 1, составом электролита 3, физико-химическими свойствами материала образца 1 и температурными условиями. Одновременно с травлением увеличивается температура Ti образца 1, которая контролируется датчиком 7 температуры, и темпеоатура 12 электролита 3, которая контролируется датчиком 8 температуры. По окончании интервала At травления ток I прекращается, так как реле 15 времени отключает через ключ 16 источник 5 постоянного тока. Во время этого процесса датчик 9 деформации измеряет деформации образца 1, а преобразователь 10 перемещений вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный этой деформации, который подается на вход АЦП 11. Информация деформации образца 1 не поступает на вход вычислительного устройства 13 через устройство 1 сопряжения до тех пор, пока не поступит управляющий сигнал с выхода компаратора 18, который срабатывает от сигнала мостовой схемы, в которую включены датчики 7 и 8 температур Тч и 12. Мостовая схема 17 вырабатывает сигнал, достаточный для срабатывания компаратора 18 после окончания интервала At травления и остывания образца 1 с тем- : ;ратурой Ti до температуры Та электролита 3. После, ввода информации через 5 устройство сопряжения 12 в вычислительное устройство 13, которое через управляющий выход сопровождает этот процесс, воздействуя на устройство 12 сопряжения, а затем по программе воздействует на де0 шифратор 14 запуска и процесс электрохимического травления следующего слоя повторяется аналогично описанному выше/ Пройдя вг.е шаги по слоям образца 1, количество которых заложено в программе вы5 числительного устройства 13, информация о деформациях накапливается в памяти вычислительного устройства 13, обрабатывается и выдается в удобной форме на регистратор 19. После этого освобождают

0 образец 1 из приспособления-захвата б, отсоединяют датчик 7 температуры и устанавливают следующий образец.

Формула изобретения Способ определения остаточных напря5 жений при травлении, заключающийся в том, что в процессе травления измеряют деформацию образца, травление образца осуществляют с паузами, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности за

0 счет устранения температурных деформаций образца, постоянно измеряют температуру образца и электролита, фиксируют значение деформации в момент равенства упомянутых температур, а пауза между ин5 тервалами травления выдерживается до достижения равенства упомянутых температур

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей после различных технологических процессов. Изобретение позволяет повысить точность измерения остаточных напряжений в образцах при травлении. Способ реализуется путем травления образца в ванне с электролитом в электрохимической ячейке, обеспечивающей послойное удаление поверхностных слоев образца, чередующегося паузами, во время которых измеряют температуру образца и электролита 3, а в момент их равенства измеряют деформацию. 2 ил.