Резистивный электроконтактный метод для определения остаточных напряжений в деталях после механической обработки

Одной из важных задач исследования поверхностных свойств металлов и сплавов является измерение распределения механических технологических напряжений σ по толщине h поверхностного слоя материала изделия. Наиболее распространённым методом изучения эпюр σ (h) является разрушающий метод на образцах, вырезаемых из исследуемого изделия, и по измеренной деформации образцов при удалении напряженных слоев судят о механических напряжениях в них.

Резистивный электроконтактный метод – это метод, основанный на измерении электрического сопротивления на участке поверхностного слоя металла при подаче к нему переменного тока. Метод был разработан С.Ю.Ивановым, Д.В.Васильковым и В.Э.Хитриком для оценки остаточных механических напряжений, сохраняющихся в металлических изделиях после их изготовления [1].

Разработанный способ определения напряжений в изделиях из металлов и сплавов основан на использовании связи между электрическими и механическими свойствами проводников и явления скин-эффекта в них.

Существует взаимосвязь между удельной электрической проводимостью у и механическими напряжениями, она определяется формулой (1):

е2Епо

V = —:-- а.

mkTVT N 0н

где е - заряд электрона, Кл;

m - масса покоя электрона, кг;

• п₀ - число электронов проводимости в единице объема;

Е - напряженность поля, В/м;

• к - постоянная Больцмана, Дж/К;

• Т - абсолютная температура, К;

• V T - скорость теплового движения электронов, м/с;

N o - число атомов в единице объема;

• d - период кристаллической решетки, м.

Известна связь удельной электрической проводимости у с удельным электрическим сопротивлением р = 1/y.

При отсутствии механических напряжений металл имеет номинальное значение периода решетки d0 и соответствующее номинальное значение удельной электрической проводимости γ0. Под действием изменения механических напряжений Ло имеет место изменение периода решетки металла Δd. В зоне упругих деформаций это изменение можно считать пропорциональным механическому напряжению и, в соответствии с (1), изменения электропроводности Δγ также пропорциональны механическим напряжениям Δσ по формуле (2):

^Y = Ka■ Ad, (2)

где Кσ - экспериментально определяемый коэффициент, характеризующий свойства материала.

Таким образом, измеряя электрические свойства проводящих материалов изделий, можно определять механические напряжения в них. При этом необходимо измерять электрические параметры и определять механические напряжения на различных глубинах в поверхностных слоях, т.е. определять эпюру распределения напряжений в материале изделия.

Для измерения распределения удельного сопротивления по глубине используется явление скин-эффекта, при котором токи высокой частоты сосредотачиваются у той поверхности проводника, которая является ближайшей к источникам поля, вызывающим появление токов. На основании решения системы уравнений Максвелла для проводящего полупространства глубина проникновения тока k в таком проводнике определяется выражением (3):

1 h =  /------,

где f – частота тока, Гц; μ – магнитная проницаемость материала, Гн/м; γ – удельная электропроводность материала, Ом^-1.

Величина плотности тока экспоненциально уменьшается с увеличением глубины, a h представляет значение глубины (3), на которой плотность тока падает в «e» раз по сравнению с исходным значением тока на поверхности. По определению h – глубина проникновения тока в проводник, т.е. толщина поверхностного слоя, в котором распространяется основная часть тока.

Использование явления скин-эффекта позволяет послойно исследовать поверхностный слой изделия путем подачи в него тока различной частоты и измерения сигнала-отклика, параметры которого связаны с изменением напряженного состояния материала изделия. Уменьшая, в соответствии с формулой (3), частоту посылаемого в изделие переменного тока, увеличивается глубина исследуемого слоя. Выбор рабочих частот обеспечивает требуемый диапазон глубин изделия [2].