Способ определения деформации поверхностиобразца материала

Своз Советскии Социалистически к РеспублинОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЛЬСТВУ 1848994 уФ сайф " Ф(22) Заявлено 290679 (21) 2788128/25-28 с присоединением заявки йо С 01 В 7/18 С 01 1. 1/20 Государствеииый комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 230781 Г 1(72) Автор изобретения А.Я.Гохштейн. Институт электрохимии АН СССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИОБРАЗЦА 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 Г 13.. Недостатком данного способа являются низкая точность определения деформа ции и низкая достоверность получаемых данных, связанных с тем, что величина объемной составляющей изменения потенциала электрода при упругой деформации материала на два порядка 2 О ниже величины поверхностной составляющей и нелинейно зависит от нагрузкиеИспользование 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 30 от адсорбции частиц среды на поверхности образца.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и достигаемому результату является способ определения деформации поверхности образца материала, заключающийся втом, что приводят электрод в сопри"косновение с исследуемым образцомматериала с трещиной, нагружают образец, регистрируют разность потенциалов между образцом и электродом,по которой судят о деформации 21 .Однако способ имеет сравнительнонизкую точность, связанную с невозможностью вбспроизведения эксперимента для получения требуемого объемаданных в связи с разрушением образца,Цель изобретения - повыаение точности измерений,Указанная цель достигается тем,что на исследуемый участок поверхности, ограниченный замкнутой линией,помещают жидкую обратимую окислительно-восстановительную среду, в контактс 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 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-восстановительной 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 20 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 темпера- З 5 туры образца. Для преобразования используют жидкую обратимую окислитель- но-восстановительную систему, представляющую собой гомогенную смесь окисленной и восстановленной форм вещест 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 системао,1 мк гвсн) +о,мкге(сй50В контакте с окислительно-восстановительной системой происходит пассивация образца с образованием тонкойэлектропроводной защитной пленкина его поверхности. У тех металлов,укотбрых такая пленка образуется навоздухе, она сохраняется в окисли-тельно-восстановительной среде. Указанная пленка делает образец практически инертным, обратимым электродомпо отношению к окисленнойи восстановленной формам, остающимся в растворе. В этих условиях электрохимические процессы на образце и обусловленный ими скачок потенциала на границе образца с окислительно-восста новительной. системой не зависят отхимического состава образца,На образцы из железа, кобальта,никеля, титана, хрома, ванадия, ниобия, молибдена, вольфрама, тантала,рения и их сплавов такое действиеоказывает раствор гексацианоферратов.На каждом из этих образцов в местеконтакта с раствором протекает одини то же электрохимический процесс.Ре(сн)+вгв(сй)4 +м 1где Я - количество тепла, выделяющееся на поверхности образца.Влияние концентрации гексацианоферратов на величину И мало, а в диапазоне концентрации от 0,02 до 0,2 М каждой из солей И постоянно, и при 200 С И = +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 рсромированных 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 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,40 в=мярО- ч)50 р-р р (рр,уъ - при 72,5 = Х/сУ СР=ЙЩса (5) где ф -коэффициент линейного теплового расширения материала образца; 60модуль упругости материалаобразца)теплоемкость материала образца,плотность материала образца; 65 пропорционально, относительному изменению площади поверхности в даннойточке. Если Р - площадь малого участка поверхности, ограниченного замкнутой линией, аХЯ - приращениеЯ врезультате деформации, то относительное изменение площади аЧ =ай/Р .Если при деформации изменяют толькоформу участка, но не его площадь,то Ь 1/ = О, и температура участка неизменяется. Это имеет место в окрест-ности, например, нейтральной поверхОности при изгибе, что дает возможностьопределять ее положение для образцовсложной формы.Окислительно-восстановительныйпотенциал зависит от температуры награнице образец - раствор. Электродне подвергается деформированию и еготемпература постоянна. Поэтому регистрируемое малое изменение разностипотенциалов между исследуемым участком образца и электродом пропорционально относительному изменению площади поверхности на исследуемом участке и не зависит от размеров этогоучастка 25ЬЧ = ЬР О/И В.р (1)гдетоР - малое измерение разностипотенциалов между исследуемым участком образца и электродомВ - безразмерный параметр материала образца;коэффициент, учитывающийраспределение тепла между образцом и раствором,Р - коэффициент, учитывающий перенос тепла в образце, обусловленный неоднородностью. деформации,Обычно Я,Р и В в 1. В этом случаеЬРЬЧ-; где И = 0,43 В. для окислительно-восстановительной системЬ 1 ввиде водного раствора гексацианоферратов.Точный расчет для случая измерения .45деформации при гармонических колебаниях может быть приведен по следующимформулам; К - теплопроводность материалаобразца;О=к /йр- коэффициент температуропроводности образца;Ы - угловая частота колебанийобразца;О - расстояние, на котором амплитуда температурных волн в образце ослабевает в е раэ;- толщина образца.При Х)ЮЯ -1 . Величины К, 6, беэ индекса относятся к образцу, с индексом 5 - к раствору. Формула дляддает оценку границ применимости данного способа при точности измерений порядка е ;дпредставляет 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 д, 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 6 - 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 И К, Ге (Сй + + 0,1 И К 4 Ге (СМ)е . 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 Вычисление Ф дает величину 0,245 мм,В соответствии с расчитанным оминимально возможное расстояние междуточками измерения составляет 0,25 мм.Применение изобретения позволяетповысить точность определения деформации за счет того, что используется зависимость разности потенциаловне от упругой деформации, а от температуры, которая является независимым параметром состояния,Формула изобретения 1. Способ определения деформации поверхности образца материала, заключающийся в том, что приводят в контакт с образцом электрод, нагружают Составитель С.СурковШишкина Техред С.Мигунова Корр дакто В.Бутяг 6075/52 . Тираж 642ВНИИПИ Государственногпо делам иэобретени 113035, Москва, Ж, Рау Подпискомитета СССРи открытийкая наб., д. 4 к г. Ужгород, ул. Проектная ППП "Па Ф Одновременно с помощью микроскопа измеряют максимальную амплитуду колебаний на конце верхней ветви 3 камертона 1 йЬ. ПридЬ = 0,086 мм ЬФ = 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 =Ьб) Ьс ф(-)2,5110 5 Это дает воэможность оценить также и амплитуду механических напряжений в точке ,измерения дЬуде ачдч:Бокгlсм,образец, регистрируют разность потенциалов между образцом и электродом,по которой судят о деформации, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что, с це, лью повышения точности измерений, наисследуемый участок поверхности, ограниченный замкнутой линией, помещаютжидкую обратимую окислительно-восстановительйую среду, в контакт с которой приводят электрод, регистрируютразность потенциалов между образом10 и электродом до и во время изменениядеформации, по различию которых судят о деФормации,2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что при исследовании15 образцов из железа, никеля, кобальта,титана, хрома, ванадия, ниобия, молибдена, вольфрама, тантала, рения, ихсплавов и образцов с покрытиями иээтих материалов в качестве жидкой2 О окислительно-восстановительной системы применяют водный раствор гексацианоферратов калия.3. Способ по и. 1, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью испытанияобразцов из диэлектрика, поверхностьобразцов перед испытанием покрываютскроем электропроводного материала.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Гохштейн А.я. Заряжение упругоЗО деформируемого электрода.-ДокладыАН СССР, 1969, т. 187, Р 3, с. 601.2. Заводская лаборатория. 1978,9 1, с. 95-97 (прототип),