Способ определения остаточных напряжений в образце методом непрерывного электрохимического травления и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01B7/16 

2 Ч J

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

Цель изобретения - повышение точности определения остаточных напряжений.

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего способ определения остаточных напряжений, которая содержит следующие элементы и узлы: 1 - анод-образец:2 - ванна;3 - электролит;4 - катод;5 - источник постоянного тока;6 - приспособление-захват; - датчик дефор- маций;8 - датчик темперэтуры;9 - тай- мер;10 - блок, сопряжения; 1 вычислительный блок;12 - регистратор; 13 - дешифратор включения;14 - дешифратор управления таймером;15 - блок включе- ния;16 - аналоговый запоминающий узел (АЗУ); 17 триггер запуска таймера; 18 - ана- лого-цифровой преобразователь (АЦП);19 - преобразователь температуры;20 - дифференциатор - первый компаратор;22 - первый ключ;23 - ждущий мультивибра- тор;24 - второй ключ;25 - второй компара- тор;2б - третий компаратор;27. - элемент ИЛИ;28 - блок измерения времени задержки.

Способ осуществляется следующим образом. Остаточные напряжения определяются 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 закрепляют в ванне 2 с электролитом 3 с помощью приспособления-захвата 6. При этом поверхности образца 1, не подвергаемые травлению, и приспособления-захвата б, погружаемые в электролит 3, защищают слоем лака или воска. Травление осуществляют при постоянном токе, протекаемом через образец - анод. На верхней плоскости образца размещают датчик температуры 8 и к этой же плоскости подводят измерительный наконечник датчика деформации 7, В ходе процесса измеряют температуру и деформации образца, а также время протекания тока.

В начальный момент электрохимического травления идет быстрый нагрев образца, протекают процессы его теплообмена с электролитом и окружающей средой, происходят сложные взаимосвязанные процессы: поляризация, перенапряжение, поглощение молекул воздуха поверхностью образца, удаление окисных пленок и др. Исходная температура образца на данном неустановившемся этапе электрохимического травления быстро (в течение 30-240 с) повышается на 3-6°С. Причем из-за различных условий теплообмена обеих плоскостей образца (нижняя плоскость находится в электролите, а верхняя вне его) имеет место

градиент температур по толщине образца. Сходная картина имеет место и при полном погружении образца в электролит, поскольку обе его плоскости также имеют различные условия теплообмена: нижняя

5 непосредственно контактируете электролитом, а верхняя изолирована от него слоем защитного лака. В результате в начальный момент травления деформация образца происходит не по причине удаления тонких

0 поверхностных слоев с остаточными напря- х ениями, а за счет неравномерного нагрева образца. Это подтверждается и тем, что в образцах с заведомо значительными по величине остаточными напряжениями сжатия

5 (например, после упрочняющей обработки обдувкой дробью) в начальный момент травления деформационная кривая имеет положительное значение, что не соответствует находящимся в образце остаточным напря0 жениям. Через 30-240 с в зависимости от величины плотности тока, состава электролита, геометрических, химических и механических свойств образца его деформации при травлении меняют знак на противополож5 ный и становятся отрицательными. Это объясняется тем, что за указанный интервал времени процесс изменения температуры образца стабилизируется и в дальнейшем ее изменения весьма незначительны. Начи0 ная с этого момента, деформация образца будет обусловлена удалением поверхностных слоев с остаточными напряжениями.

Для повышения точности определения остаточных напряжений измеряют время

5 между началом травления и моментом достижения установившегося значения температуры образца, а его деформацию измеряют для оставшегося времени травления. Эксперименты показывают, что дина0 мическая характеристика нагрева образца при включении тока травления имеет апериодический характер, близкий к экспоненте (см, чертеж). Для приведенного примера за время электрохимического травления, рав5 ное 1800 с. температура верхней плоскости образца увеличилась с 19,9°С до 32,1°С, то есть прирост составил АТВ 12,2°С, при- чем наибольшая доля прироста приходится на начальный период. Для любых процес- сов, имеющих асимптотический характер.

установившееся значение рассматриваемой зависимости принято брать равным 0,7 от максимального значения. В нашем случае ДТуст 0,7 АТВ 8,5°С. Таким образом, установившееся изменение температуры с учетом исходной до травления наступит, начиная с температуры, равной 28,4°С, на 150 с травления. После достижения установившегося значения температуры образца (прирост АТуСтв по сравнению с исходной, до травления) причиной деформации образца практически является удаление тонких поверхностных слоев с остаточными напряжениями. Время от начала включения тока травления I до начала отсчета времени процесса является временем задержки Гзадерж . которое фиксируется блоком измерения времени задержки. Для оставшегося времени травления через установленные интервалы времени производится определение остаточных напряжений. Обычно в начале процесса для повышения точности длительность временных интервалов берется меньшей, чем на среднем и заключительном этапах, где изменения деформаций образца, как правило, малы по величине. Поэтому длительность первого интервала берется равной 30-60 с, а количество интервалов такой длительности ni 5-10. Далее t2 120 с, ta 240 с, а П2 пз 10. При необходимости может быть задано любое количество временных интервалов любой длительности. Через время ti производят измерение деформаций образца f 1 и рассчитывают толщину ai удаленного травлением слоя образца с остаточными напряжениями. Расчет стравленного слоя производится по закону Фарадея:

- о- « .t

где a - электрохимический эквивалент,

г/ А с;

I - ток травления. А;

у - плотность материала образца, г/мм3;

b и L - ширина и длина поверхности травления образца, мм.

Итак, путем измерений и расчетов получаем ряд значений прогибов образца fi, fa, Ь ... и. соответствующих им толщин стравленных слоев ai, аз. аз .... то-есть имеем деформационную кривую. Остаточные напряжения определялись по деформационной кривой, при этом использовалась ее параболическая аппроксимация, позволяющая определить необходимые для расчета производные и интегралы, по трем соседним точкам кривой, для которых известны значения деформаций и соответствующих

им толщины удаленных поверхностных ело ев fi-i; ai-i; ft; ai; fi+i: al+i). После окончания процесса, завершающегося определением остаточных напряжений для последнего i-ro 5 интервала, определяют в точке О деформационной кривой скорость изменения дефорdt(0)dtCO мации также время задержки гзадерж , определя- 0 ется значение деформации f0, соответствующие началу отсчета времени процесса. dt(0

или , зная которую, а

Ud

Для определения j} при параболичеU9

ской аппроксимации деформационной кри- 5 вой необходимо знать в точках 1, 2 прогибы fi и f2 и соответствующие им значения толщин 31 И 32.

32r ai

da 31(32 - ai)

-h

3(32 -ГаТ)

0 Знзчение деформации fo соответствует времени травления гзадерж , за которое будет удален поверхностный слой азадерж. После определения f0 производится корректировка деформационной кривой, 5 которзя теперь будет иметь нэчзло в точке Ок на исходной, до травления, поверхности образца. Таким образом, при корректировке к деформационной кривой 0-1-2-3- .., -п добавляется участок Ок-0. По скорректиро- 0 ванной деформационной кривой определяют остаточные напряжения на исходной

поверхности образца о(о) и производят в связи с найденным значением f0 пересчет

5 значений остаточных напряжений для всех заданных интервалов времени. Изменения, связанные с корректировкой деформационной кривой, могут быть проиллюстрированы данными.представленными в таблице.

« Необходимость пересчета ОН обусловлена появлением еще одного начэльного временного интервзлз, длительностью гз .

Данный способ реализуется с помощью устройства, блок-схема которого изображе5 на на чертеже. Устройство работает следующим образом.

По заданной программе вычислительный блок 11 через управляющий вход воздействует на дешифратор 13 включения так,

Q что его выходной сигнал приводит выходной сигнал АЗУ 16 через установочный вход в нулевое состояние, запускает блок 28 измерения времени задержки, приводит через второй вход в исходное состояние триггер

5 17 запуска таймера, и через блок 15 включения включает источник 6 постоянного тока. При этом второй 25 и третий 26 компараторы закрыты, поскольку на их входах имеются нулевые напряжения, которые меньше их порога срабатывания, а таймер 9 выключен. Включение источника 6 постоянного тока вызывает переходный процесс, который контролируется датчиком 8 температуры образца 1. Пока идет процесс нагрева образца 1, происходит изменение его температуры, на выходе преобразователя 19 также изменяется во времени напряжение, которое, пройдя дифференциатор 20, выделяется в виде напряжения, пропорционального скорости изменения этого напряжения. Это приводит к тому, что первый компаратор 21 будет им закрыт. По мере установления процессов теплообмена закрывающее напряжение на выходе первого компаратора 21 уменьшается до порога срабатывания, после которого его сигнал через ждущий мультивибратор 23 кратковременно открывает второй ключ 24 и информация о значении величины деформации запоминается АЗУ 16. В это же время первый ключ 22 открывается постоянно, и следовательно, в начальный момент на входах второго 25 и третьего 26 компараторов сохраняется равенство напряжений, что оставляет их закрытыми. При наличии деформации образца 1 напряжение на его ана- логовом выходе изменяется и, следовательно, через открытый первый ключ 22 оно изменяется на первых входах второго 25 и третьего 26 компараторов при неизменном напряжении на вторых входах, поступающем с выхода АЗУ 16. После достижения порога срабатывания, в зависимости от знака деформации, срабатывает второй 25 или третий 26 компаратор, который своим сигналом через элемент 27 ИЛИ и первый вход триггера 17 запуска таймера включает таймер 9, фиксируя начало отсчета времени травления первого слоя анода-образца 1, и выключает через первый вход блок 28 измерения времени задержки, выходная цифровая информация которого через второй информационный вход блока сопряжения одновременно заносится в вычислительный блок для последующего пересчета остаточных напряжений для начального временного интервала длительностью Тз . Время травления слоя задается программно-вычислительным блоком 11. Через дешифратор 14 управления таймером вычислительный блок 11 воздействует на управляющий вход таймера 9 цифровым кодом, определяющим это время. По истечении первого интервала травления на выходе таймера формируется сигнал, который через управляющий вход включает АЦП 8 и информация о величине деформации от дат- чша 7 деформации поступает через первый информационный вход блока 10 сопряжения в вычислительный блок 11, который через управляющий выход сопровождает процесс ее ввода. Далее продолжается травление следующих слоев через заданные

таймером 9 интервалы времени, которые, обычно вначале малы, т.е. идет интенсивное изменение деформации, а затем их длительность увеличивается согласно заданной программе, заложенной в вычислительный

блок 11. Количество интервалов также задается в программе вычислительного блока 11. Информация о деформациях накапливается в памяти вычислительного блока 11, обрабатывается и выдается на регистратор 12. Поеле этого освобождают анод-образец 1 из приспособления-захвата 5 и отсоединяют датчик 18температуры и устанавливают следующий образец.

Реализация описанного устройства позволяет повысить точность измерения деформаций образца за счет уменьшения погрешностей, возникающих в переходном процессе начала травления, автоматизировать процесс контроля остаточных напряжений при непрерывном травлении, обеспечив регулируемые интервалы времени слоев образца, обработку и выдачу результатов с учетом пересчета остаточных напряжений к начальному временному интервалу, т.е.

практически к исходной поверхности образца для каждого из заданных интервалоавремени.

Формула изобретения

1. Способ определения остаточных напряжений в образце методом непрерывного электрохимического травления, заключающийся в том, что образец опускают в ванну с электролитом, через него пропускают ток, измеряют время протекания тока, температуру и деформацию образца, по которым судят о остаточных напряжениях, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения остаточных напряжений, измеряют время между началом травления и моментом достижения установившегося значения температуры, деформацию образца изменяют для оставшегося времени травления в заданных его интервалах, определяют скорость изменения деформации, а остаточные напряжения определяют с учетом полученных параметров.

2. Устройство для определения остаточных напряжений в образце методом непре- рывного электрохимического травления, содержащее ванну с электролитом и катодом, приспособление-захват, датчик деформации и датчик температуры, предназначенные для размещения на образце последовательно

соединенные блок включения и источник постоянного тока, подключенный к ванне с электролитом, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, блок сопряжения, вычислительный блок и регистратор, компаратор и таймер, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения остаточных напряжений, оно снабжено триггером запуска таймера, элементом ИЛИ, вторым и третьим компараторами, первым и вторым ключами, ждущим мультивибратором, блоком измерения времени задержки, аналоговым запоминающим узлом, дешифратором включения, дешифратором управления тай- мером, дифференциатором и преобразователем температуры, вход которого подключен к датчику температуры, а выход через дифференциатор и первый компаратор соединен с управляющим входом перво- го ключа, а через ждущий мультивибратор - с управляющим входом второго ключа, аналоговый выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационным входам ключей, выход первого ключа сое- динен с первыми входами второго и третьего компараторов, выход второго ключа с

информационным входом аналогового запоминающего узла, выход которого подключен к вторым входам второго и третьего компараторов, выходы которых соединены соответственно с двумя входами элемента ИЛИ, выход которого соединен через первый вход триггера запуска таймера с первым входом блока измерения времени задержки и управляющим входом таймера, выход которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, управляющий выход вычислительного блока соединен с управляющими входами блока сопряжения и дешифратора управления таймером, выход которого соединен с управляющими входами таймера и дешифратора включения, выходной сигнал которого соединен с вторым входом триггера запуска таймера, установочным входом аналогового запоминающего узла, входом блока включения и вторым входом блока измерения времени задержки, выход которого соединен с вторым входом блока сопряжения, а датчик деформации соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей после различных технологических процессов. Цель изобретения - повышение точности измерения остаточных напряжений за счет учета влияния теплообменных и электрохимических неустановившихся процессов при включении тока травления. При травлении образца 1 в ванне 2 с электролитом 3 в электрохимической ячейке, обеспечивающей послойное удаление поверхностных слоев образца; измеряют время задержки сначала травления до момента достижения установившегося значения температуры или последующего малого приращения деформации образца за счет остаточных напряжений, измеряют скорость изменения деформации, по которой и времени задержки определяют остаточные напряжения на исходной поверхности образца. Канал контроля и управления по изменению температуры ключами 22 и 24 подключает информативный сигнал по деформации от аналого-информативного сигнала, по деформации от аналого-цифрового преобразователя 18 к компараторам 25 и 26, выходной сигнал одного из которых включает таймер 9 отсчета времени и определяет время задержки, вводимого в вычислительное блок 11, которое управляет работой дешифратора 13 включения блоком 10 сопряжения, дешифратором 14 управления таймером и регистратором 12. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл. со с со О VI N ON

Измеряемые и р

деформационная кривая /0-1-2-3- ... - п /

О

/ исходная поверхность /

О

/ начало отсчета

ремени процесса /

1

f0; а0; сг(0)

fi: ai; a (at)

Измеряемые и расчетные параметры

скоррект. деформ. кривая /Ок-0-1-2-3-...-п/

cr (0)

fo 0 ; a0 « 0

fo Зок Эо + а задерж

о (а0к)

fi ; а1к 31+ Эзадерж о (aiO