СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА
METHOD TO DETERMINE SPECIFIC ELECTRIC RESISTANCE OF MATERIAL SURFACE LAYER

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к области системы мероприятий по контролю качества поверхности изделий после механической обработки, а также к области измерительной техники, в частности к измерению электрического сопротивления, например сопротивление контактов (коммутационных аппаратов, скользящих электроконтактов).
Известен способ определения электрического сопротивления, имеющий название «метод амперметра-вольтметра» (Б.Г.Лифшиц. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Изд-во машиностроительной литературы, 1959. - 368 с.). В способе применяется 2 токовых подвода и 2 потенциальных измерительных вывода.
Известна методика измерения сопротивления поверхности детали, содержащая в своей основе метод амперметра-вольтметра и реализующаяся с помощью устройств, имеющих 2 токовых подвода и 2 потенциальных измерительных вывода (1. А.В.Чистяков и др. «Оптимизация эксплуатационно-технологических процессов в машиностроении», Новочеркасск, НГТУ, 1997. - 228 с.; 2. Патент на ПМ, RU 76708, G01B 7/06, G01R 23/16; опубл. 27.09.2008).
Принципиальным недостатком известной методики является пропускание тока параллельно поверхности детали, что приводит к невысокой точности определения электросопротивления поверхностного слоя.
Известен способ измерения электрического сопротивления (патент RU 2137144, G01R 27/00, опубл. 10.09.1999), который заключается в том, что через измеряемое сопротивление пропускают электрический ток, выполняют первое измерение тока и падение напряжения на измеряемом сопротивлении и по их значениям определяют первое значение сопротивления, после первого измерения тока и падения напряжения изменяют ток через измеряемое сопротивление путем включения последовательно с измеряемым сопротивлением дополнительного сопротивления, выполняют второе измерение тока и падение напряжения на измеряемом сопротивлении и по их значениям определяют второе значение сопротивления, а измеряемое сопротивление определяют по приведенной формуле с учетом значений внутреннего сопротивления устройства измерения сопротивления без дополнительного сопротивления и дополнительного сопротивления. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей.
Недостатком этого способа является невозможность определения удельного электросопротивления поверхностного слоя материала, который является показателем состояния поверхности материала.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа определения удельного электрического сопротивления поверхностного слоя материала.
Техническим результатом изобретения является определение удельного электрического сопротивления поверхностного слоя материала, содержащего структурные дефекты после нагружения внешним воздействием (механической обработкой, трением, электрическим током, радиационным излучением, ионной бомбардировкой и т.п.).
a
с
с
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения удельного электрического сопротивления поверхностного слоя материала, включающем измерение электрического сопротивления (r) контакта поверхностного слоя материала с металлической плитой методом амперметра-вольтметра, дополнительно измеряют силу прижима (N) поверхностного слоя материала к металлической плите в контакте, параметр шероховатости (R) и твердость поверхностного слоя материала (НВ). Затем определяют удельное сопротивление (ρ) поверхностного слоя материала по формуле:
n
, где ρ - удельное электросопротивление плиты.
В предлагаемом способе поверхность металлической плиты имеет твердость больше, чем твердость поверхностного слоя материала, а шероховатость поверхности металлической плиты меньше шероховатости поверхностного слоя материала.
Измерение электрического сопротивления контакта поверхностного слоя материала с металлической плитой методом амперметра-вольтметра осуществляют, пропуская электрический ток перпендикулярно плоскости контакта.
На чертеже авторами представлена модель контакта для определения удельного сопротивления поверхностного слоя материала, содержащего структурные дефекты, где: 1 - образец, 2 - поверхностный слой, содержащий структурные дефекты, 3 - гладкая твердая металлическая плита, 4 - источник питания.
Для определения удельного электрического сопротивления поверхностного слоя образец материала 1 прижимают к гладкой твердой металлической плите 3 с усилием N, пропускают ток i перпендикулярно плоскости контакта образца материала 1 и гладкой твердой металлической плите, измеряют контактное падение напряжения u. Далее вычисляют сопротивление контакта по закону Ома r=u/i.
С другой стороны, аналитическое выражение для сопротивления r должно содержать удельное сопротивление контактирующих материалов, чтобы учесть их природу. Это можно выполнить, если ввести сопротивление стягивания на пятнах фактического электроконтакта (Р.Хольм. Электрические контакты. Пер. с англ. М.: Иностранная лит-ра, 1961. - 123 с.) и шероховатость поверхности. Тогда можно записать
с
n
a
a
c
с
с
где ρ и ρ - удельное электросопротивление поверхностного дефектного слоя материала и плиты соответственно, s - площадь фактического контакта (сумма площадей пятен фактического контакта), R - параметр шероховатости поверхностного слоя. Сопротивление материала, расположенного в глубине, превышающей R, пренебрежимо мало. В предлагаемой модели принято, что контакт осуществлен по трем пятнам (см. чертеж) и усилие N достаточно для того, чтобы вызвать в пятнах контакта пластическую деформацию. Тогда s=N/HB (Справочник по триботехнике / Под общ. Ред. М.Хебды, А.В.Чичинадзе. T.1. Теоретические основы. - М.: Машиностроение, 1989. - 111 с.), где НВ - твердость по Бринеллю более мягкого контактирующего материала, т.е. поверхностного слоя образца материала. С учетом вышеизложенного можно найти ρ из (1)
с
Определение НВ производят путем измерения микротвердости поверхностного слоя материала на шлифе поперечного сечения и нахождения соответствующего ему значения НВ по таблице перевода чисел твердости (А.П.Гуляев. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 537 с.).
н
с
с
с
с
с
2
2
Возможным вариантом применения предлагаемого способа является определение удельного электросопротивления поверхностного слоя материала после скольжения с токосъемом. В приведенной таблице представлены удельное электросопротивление, твердость композитов с исходной структурой и свойства поверхностного слоя после нагружения трением с токосъемом со скоростью скольжения 5 м/с по стали 45 (50 HRC). Композиты 1 и 2 скользили при плотности тока i/s=300 А/см, композиты 3 и 4 (промышленная щетка марки МГ) скользили при плотности тока около 70 А/см. Видно, что твердость НВ и удельное электросопротивление ρ композитов 1-3 имеют после трения более высокие значения по сравнению с исходными свойствами (см. таблицу). Видно также, что ρ модельных композитов 1 и 2 (на стальной основе) меньше, чем ρ композитов 3 и 4 (на медной основе). Это указывает на то, что поверхность трения композитов на стальной основе содержит меньше структурных дефектов, чем у композитов на медной основе. Способность материала поверхности релаксировать напряжения с образованием минимального количества дефектов позволяет достигать более высокую износостойкость, и ρ может служить показателем перспективности в создании износостойких материалов.
Таблица
Удельное электросопротивление и твердость композитов с исходной структурой и свойства поверхностного слоя после нагружения трением с токосъемом
Композит/свойство
Cu+10%Гр+70%ШХ Композит 1
Cu+10%Гр+70%Г13 Композит 2
Cu+10%Гр+40%ШХ Композит 3
МГ Композит 4
ρ, мкОм м
0,25
1
0,15
0,16
НВ, ГПа
2
1,67
0,57
0,09
НВс, ГПа
4,16
4,85
1,3
0,09
r, Ом
0,35
1
0,31
0,35
R<sub>a</sub>, мкм
1,8
4,5
2,98
0,3
ρ<sub>с</sub>, мкОм м
17,43
31,09
28,32
166,39