УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ И ПОКРЫТИЯХ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и используется для определения величины остаточных напряжений в пористых материалах и покрытиях и может применяться в машиностроении, приборостроении, металлургии, радиотехнической и других отраслях промышленности.
Известно устройство для определения остаточных напряжений, содержащее корпус, источник рентгеновского излучения, водило, соединенное с шаговым двигателем и снабженное кареткой для детектора, и поворотный упор с фиксатором и индикаторной головкой. Корпус с источником рентгеновского излучения установлен на столе с возможностью перемещения его по двум координатам, при этом стол установлен на опорной плите (Патент РФ №2115901, кл. G01L 1/25, 1998).
Недостатками данного устройства являются: сложность его использования, связанная с применением большого числа подвижных элементов; неэкологичность - из-за применения источника рентгеновского излучения; низкая точность определения остаточных напряжений в пористых материалах и покрытиях.
Ближайшим техническим решением является устройство для определения остаточных напряжений по толщине покрытия, использующее травление в гальванической ванне, причем роль анода выполняет образец с нанесенным покрытием (Бобров Г.В., Ильин А.А. Нанесение неорганических покрытий. Теория, технология, оборудование. - М: Интермет Инжиниринг, 2004, с.80-84).
Недостатками известного устройства являются невозможность одновременного определения осевых и окружных остаточных напряжений, а также недостаточная точность измерений из-за погрешности, обусловленной искажением напряженного состояния образца при растворении материала в порах и в периоды релаксации напряжений после удаления очередного слоя.
Полезная модель направлена на повышение точности определения величины остаточных напряжений путем исключения погрешности, обусловленной искажением напряженного состояния образца, связанной с растворением материалов в порах и в периоды релаксации напряжений после удаления очередного поверхностного слоя.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для определения остаточных напряжений в пористых материалах и покрытиях, содержащее термостатируемую ячейку для электролита, катод, электроизолирующие опоры для установки испытуемого образца с закрепленным на его торцевой поверхности рычагом, источник постоянного тока, управляемый коммутатором, аналого-цифровой преобразователь, счетчик времени, датчики прогиба и угла закручивания образца, измеритель деформации и ЭВМ, снабжено последовательно соединенными электродом сравнения, измерителем электродного потенциала, первый вход которого соединен через пороговый элемент с входом управляемого коммутатора, а второй выход - с входом ЭВМ, к выходу которой подсоединены соответственно выходы аналого-цифрового преобразователя, счетчика времени и измерителя деформации, а образец через электрод сравнения подсоединен к входу измерителя электродного потенциала.
На чертеже изображена схема устройства для определения остаточных напряжений в пористых материалах и покрытиях.
Устройство состоит из термостатируемой ячейки 1 для электролита 2, катода 3, электроизолирующих опор 4 и 5, на которых устанавливают образец 6, например цилиндрический, имеющий торцевые поверхности 7 и 8, с закрепленным на торцевой поверхности 8 рычагом 9, электрода сравнения 10, например хлорсеребряного, измерителя электродного потенциала 11, порогового элемента 12, источника постоянного тока 13, управляемого коммутатора 14, аналого-цифрового преобразователя 15, счетчика времени 16, датчика прогиба 17 и датчика угла закручивания 18 образца 6, измерителя деформации 19, ЭВМ 20.
Устройство работает следующим образом.
Для определения величины остаточных напряжений в пористом материале или покрытии предварительно осуществляют пропитку пористого материала образца 6 наполнителем, химически инертным к пористому материалу, материалу покрытия, металлической подложке и электролиту 2. В качестве наполнителя может быть использован парафин, фенольная смола, фторопласт. Образец 6 подключают к измерителю электродного потенциала 11 и к источнику постоянного тока 13 через управляемый коммутатор 14 и аналого-цифровой преобразователь 15, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный току анодного растворения. После этого образец 6 устанавливают в термостатируемую ячейку 1 на электроизолирующие опоры 4 и 5 над полым цилиндрическим катодом 3. Затем термостатируемую ячейку заполняют электролитом 2 до определенного уровня так, чтобы образец 6 был погружен в электролит наполовину вдоль его продольной оси. Верхнюю часть поверхности образца предохраняют от химического воздействия электролита 2, например, цапонлаком или хлорвиниловым лаком. После стабилизации температуры электролита 2 при помощи управляемого коммутатора 14 включают источник постоянного тока 13 и осуществляют анодное растворение материала с заданным шагом по толщине образца 6. Продолжительность каждого периода анодного растворения регистрируется счетчиком времени 16, включение которого происходит одновременно с подачей на образец 6 анодного напряжения. Для поддержания равномерной концентрации и температуры по объему электролита 2 производится его перемешивание мешалкой (на чертеже не показано).
В процессе анодного растворения материала электродом сравнения 10 и измерителем электродного потенциала 11, выход которого соединен через пороговый элемент 12 с управляемым коммутатором 14, непрерывно регистрируют величину электродного потенциала образца 6. В момент времени, соответствующий скачку электродного потенциала образца 6, вызванного открытием сквозных пор в покрытии и проникновением электролита 2 к металлической подложке, поступает сигнал с выхода порогового элемента 12 на управляемый коммутатор 14, который отключает источник постоянного тока 13, и процесс анодного растворения прекращается. После этого образец 6 вынимают из термостатируемой ячейки 1, промывают, высушивают, осуществляют повторную пропитку пористого материала наполнителем и продолжают процесс анодного растворения.
Для определения осевых остаточных напряжений при удалении слоев материала контролируемой толщины с части поверхности образца 6 вдоль его продольной оси регистрируют величину прогиба образца 6 измерителем деформации 19, используя датчик прогиба 17.
Для определения окружных остаточных напряжений регистрируют величину угла закручивания образца 6 при удалении слоев материала контролируемой толщины с части поверхности образца вдоль его продольной оси измерителем деформации 19, используя датчик угла закручивания 18, который взаимодействует с рычагом 9, установленным неподвижно на торцевой поверхности 8 образца 6. При этом образец 6 неподвижно закрепляют на электроизолирующей опоре 4 со стороны торцевой поверхности 7 фиксатором (на чертеже не показан).
В качестве датчика прогиба 17 и датчика угла закручивания 18 образца 6 используют, например, индукционные или проволочные тензодатчики сопротивления. Измерение величины прогиба и угла закручивания образца 6 для определения осевых и окружных остаточных напряжений после каждого этапа анодного растворения осуществляют через промежутки времени, достаточные для завершения релаксации напряжений.
В связи с тем, что после удаления очередного напряженного слоя образец 6 деформируется не мгновенно, а в течение определенного промежутка времени, с целью предотвращения растворения материала в электролите 2 в периоды релаксации напряжений устройство обеспечивает катодную защиту путем подачи на образец 6 постоянного напряжения обратной полярности переключением полярности источника постоянного тока 13 управляемым коммутатором 14. Выходы аналого-цифрового преобразователя 15, счетчика времени 16, измерителя электродного потенциала 11 и измерителя деформации 19 соединены с входом ЭВМ 20, которая производит обработку результатов измерений по известным формулам и выдает на печать эпюру остаточных напряжений по толщине покрытия или материала образца 6.
Конструктивные особенности устройства позволяют определять величину остаточных напряжений не только на полых и сплошных цилиндрических образцах, но и на образцах другой конфигурации, например, прямоугольного сечения. При этом меняют только форму катода 3, изготовляемого из материала, который обладает постоянными свойствами по отношению к электролиту 2 и не пассивируется в процессе анодного растворения.