Способ определения деформации поверхностиОбРАзцА МАТЕРиАлА Советский патент 1981 года по МПК G01B7/16 G01L1/20 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ

ОБРАЗЦА 1АТЕРИАЛА

1

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам . определения деформации поверхности образца материала.

Известен способ определения дефор-мации 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-. ли ri

Недостатком данного способа являются низкая точность определения деформаций 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 нагрузки.

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

от адсорбции частиц на поверхности образца.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения деформации поверхности образца материала, заключакицийся в том, что приводят электрод в соприкосновение с исследуемым образцом

10 материала с трещиной, нагружают образец, регистрируют разность потенциалов между образцом и электродом, по КОТОРОЙ судят о деформации 21Однако способ имеет сравнительно

15 низкую точность, связанную с невозможностью воспроизведения эксперимента для получения требуемого объема данных в связи с разрушением образца.

20

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что на исследуемый участок поверхности, ограниченный замкнутой линией,

25 помещают жидкую обратимую окислительно-восстановительнуй среду, в контакт с которой приводят электрод, регистрируют разность потенциалов между образцом и электродом до и во время изменения деформации, по различию которых судят о деформации. Кроме того, при исследовании образцов из железа, никеля, кобальта, титана, хрома, вайадия, ниобия, молибдена, вольфрама, тантала, рения, их сплавов к образцо .с покрытиями из этих материалов в качестве жидкой окислительно-восстапо вительной системы применяют водный раствор гексацианоферратов каЛия. Причем, с целью испытания образцо из диэлектрика, поверхность образцов перед испытанием покрывают слоем эле ктропроводного материала. На чертеже показано устройство, реализующее способ определения деформации поверхности образца материа ла на примере измерения деформации поверхности колеблющегося камертона. Камертон 1 расположен горизонталь но и закреплен своим основанием з 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 ко торой контактирует электрод 6. Разность потенциалов между камертоном 1 и электродом 6 подается на вход избирательного усилителя 7, настроен ного 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 окислитель но-восстановительную систему, представляющую собой гомогенную смесь оки ленной и восстановленной форм вещест ва, способных переходить друг в другА на электроде, например раствор, в котором одновременно присутствуют одинаковые по составу ионы, несущие разные заряды из-за пребывания одног из элементов в двух валентных состо ниях. В частности, такими свойствами обладг ает система о, 1 МК,ГЬ(С N)+о, I (C,N . В контакте с окислительно-восстановительной системой происходит пассивация образца с образованием тонко электропроводной защитной пленки на его поверхности. У тех металлов у-котЬрых такая пленка образуется на воздухе, она сохраняется в окислительно-восстановительной среде. Указанная пленка делает образец практически инертньн«1, обратимым электродом по отношению к - окисленной и восстановленной формарл, остающимся в растворе. В этих условиях электрохимические процессы на образце и обуслов ленный ими скачок потенциала на границе образца с окислительно-восст4г новительной. системой не зависят от химического состава образца. На образцы из железа, кобальта, никелят титана, хрома, ванадия, ниобия, молибдена, вольфрама, тантала, . рения и их сплавов такое действие оказывает раствор гексацианофёрр тов. На каждом из этих образцов в месте 1контакта с раствором протекает один и то же электрохимический процесс. Fe(cN)+e5t PfcCcN) + w, I где W - количество тепла, выделяющееся на поверхности образца. Влияние концентрации гексацианоферратов на величину W мало, а в диапазоне концентраций от 0,02 до 0,2 М каждой , из солей W постоянно, и при 20с 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 указывает на инертность образца. Такую проверку обеспечивает операция измерения разности потенциалов до. начала деформации образца. Отклонение стационарной разности потенциалов от нуля, превышающее 0,01 В, возможно из-за загрязнения поверхности образца, которую в этом случае следует очистить, или из-за,толстой изолирующей пленки, которую следует удалить, например, химическим путем. При испытании образцов с гальваническим покрытием, например хромированных латунных образцов, отличив стационарной разности потенциалов от нуля свидетельствует о дефекте покрытия в данном месте., в этом случае изме1 ния необходимо проводить ;На другом участке. I Помещение жидко,й обратимой окисли|тельно-восстановительной среды на образец осуществляют либо в виде капли 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 пропорционально .относительному изменению площади поверхности в данной точке. Если 91 - площадь малого участ ка поверхности, ограниченного замкну той линией, ай. - приращениеQ в результате деформации то относитель вое изменение площади aV . Если при деформации изменяют только форму участка, но не его площадь, то CvV О, и температура участка не изменяется. Это имеет место в окрест ности, например, нейтральной поверхности при изгибе, что дает возможнос 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 регис рируемое малое изменение разности потенциалов между исследуемым участком образца и электродом пропорционально относительному изменению площ ди, поверхности на ис.следуемом участке и не зависит от размеров этого участка ДУ .Q/W-B-P, (1) гдеДФ- малое измерение разности потенциалов между исследуемым участком образца и электродом;В - безразмерный параметр материала образца;Q - коэффициент, учитывающий распределение тепла между об разцом и раствором} Р - коэффициент, учитывающий перенос тепла в образце, обусловленный неоднородностью . деформации. Обычно 0.,Р и В сг 1. В этом случае ЛV W окислительно-восстановительной системы в виде водного раствора гексацианоферратов.. Точный расчет для случая измерени деформации при гармонических колебаниях может быть приведен по следукици формулам; )p(i-v;, (2; (, t ,, СЭ) - 2Т5- ПрМ , (4). (f, cr BD/CO, (5) где 36 - коэффициент линейного теплового расширения материала образца;V -.модуль упругости материала образца; G - теплоемкость материала образ . ца; Р - плотность материала образца; К - теплопроводность материала . , образца) -К/dp - коэффициент температуропроводности образца; UJ - угловая частота колебаний образца tf - расстояние, на котором амплитуда температурных волн в образце ослабевает в е раз; - толщина образца. При Х. сЯрс;1 . Величины К, G,p без индекса относятся к образцу, с индексом S - к раствору. Формула .для (Я дает оценку границ применимости данного способа при точности измерений порядка e.;(f представляет собой, во-первых, минимальное расстояние между точками поверхности,на которых могут быть с помощью данного способа проведены измерения, и, вовторых, максимальную высоту неровностей, при которой шероховатость поверхности еще не искажает результатов измерений. При испытаниях металлических образцов с гальваническим покрытием, толщина которого много меньше ff , 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 разных модах его колебаний. Способ может бытьприменен также и при однократном измерении деформации, при этом для приближенной оценки cf в соответствующую формулу . вместо i следует подставить 4- /С, где v - период времени,, за который произошло изменение деформации. Пример . 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 к.г1мертона отшлифовывают, класс шероховатости 7, перед испытанием поверхность обезжиривсйот ацетоном. На горизонтальную поверхность верхней ветви 3 на расстоянии бОмм от свободного конца наносят каплю 5 водного раствора о,1 М ЦРе (CN + 4- 0,1 М (CN) . Диаметр круга, занятого каплей 5 на поверхности камертона 1, равен 1 мм. Измеренная до возбуждения колебаний разность потенциалов между электродом б 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 изгибные колебания. Избирательный усилитель 7 настраивают на частоту 440 Гц. ..