RU2644982C2 - Способ определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники - Google Patents

Способ определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники Download PDF

Info

Publication number
RU2644982C2
RU2644982C2 RU2016127449A RU2016127449A RU2644982C2 RU 2644982 C2 RU2644982 C2 RU 2644982C2 RU 2016127449 A RU2016127449 A RU 2016127449A RU 2016127449 A RU2016127449 A RU 2016127449A RU 2644982 C2 RU2644982 C2 RU 2644982C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
surface energy
work function
potential difference
hardness
contact potential
Prior art date
Application number
RU2016127449A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Станиславович Олешко
Иван Сергеевич Пиговкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ)
Priority to RU2016127449A priority Critical patent/RU2644982C2/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2644982C2 publication Critical patent/RU2644982C2/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

Использование: для неразрушающего контроля металлических деталей авиационной техники при ее изготовлении. Сущность изобретения заключается в том, что значение поверхностной энергии определяют с учетом их твердости и работы выхода электрона, причем для определения работы выхода электрона на предварительно очищенной от загрязнений поверхности контролируемых деталей измеряют контактную разность потенциалов прибором, имеющим усилитель с предварительной фильтрацией сигнала, микропроцессор основной обработки сигнала, управления и индикации, индикатор отображения информации, а также датчик, имеющий в своем составе электромеханическую колебательную систему, электромагнитный возбудитель колебаний, буферный усилитель сигнала, вибрирующий измерительный электрод, изготовленный из материала с известной работой выхода электрона, и затем проводят расчет поверхностной энергии по определенной формуле. Технический результат: обеспечение возможности определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники, изготовленных из многокомпонентных сплавов, в процессе их производства, эксплуатации и ремонта. 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля металлических деталей авиационной техники при ее изготовлении, эксплуатации или ремонте.
При производстве, эксплуатации и ремонте авиационной техники важно учитывать уровень, поверхностной энергии металлических авиационных деталей. От значения поверхностной энергии в значительной степени зависят эксплуатационные свойства деталей машин, в том числе и деталей авиационной техники. Особенно важно определение поверхностной энергии деталей в трибологии, при нанесении защитных покрытий, при создании неразъемных соединений - сваркой, пайкой, склеиванием и др. Между тем определение поверхностной энергии твердых металлических деталей является сложной задачей [1].
Поверхностная энергия тесно связана с поверхностным натяжением - поверхностное натяжение по физическому смыслу является удельной поверхностной энергией твердого тела. Для кристаллических твердых тел различия между значениями поверхностной энергии и поверхностного натяжения пренебрежимо малы [1, 2].
Известны способы определения поверхностного натяжения твердых тел [3, 4], основанные на измерении углов смачивания образцов жидкостью.
Известен способ определения поверхностной энергии границ зерен в металлах [5], основанный на приложении механической нагрузки к образцу металла до его разрушения, измерении параметра, характеризующего нагрузку и расчете поверхностной энергии по формуле.
Известно устройство для определения поверхностного натяжения твердых тел [6], позволяющее определять поверхностную энергию по зависимости собственных частот поперечных колебаний образцов в виде тонких стержней с шарнирно опертыми концами.
Недостатками перечисленных способов [3-6] является то, что все эти способы являются разрушающими, а также их большая трудоемкость.
Целью предлагаемого изобретения является оперативное определение поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники простым, имеющим малую трудоемкость способом в процессе ее производства, эксплуатации и ремонта.
Известна электронная теория поверхностной энергии твердых металлов, связывающая поверхностную энергию с экспериментально определенными значениями работы выхода электрона. Также известна теория поверхностной энергии твердого тела, согласно которой она напрямую зависит от твердости материала. Чем выше твердость материала изделия, тем выше его поверхностная энергия [1, 2].
Авторами предлагается для расчета поверхностной энергии металлических авиационных деталей использовать сочетание ее электронной теории и теории, основанной на зависимости поверхностной энергии металла от твердости. В расчетах поверхностной энергии удобно использовать безразмерную относительную твердость, например твердость по шкале Мооса. Расчеты поверхностной энергии металлических авиационных деталей предлагается производить по разработанной авторами формуле [2]:
Figure 00000001
где Enp - расчетное значение поверхностной энергии, Дж/м2;
ϕко - работа выхода электрона контролируемого объекта, Дж;
Нц - относительная твердость материала по шкале Мооса;
S1=1 м2 - «единичная площадь», которую необходимо ввести для соблюдения соответствия единиц измерения поверхностной энергии.
Безразмерная относительная твердость Нц металлов и сплавов определяется по формуле, также разработанной авторами [7]:
Figure 00000002
где НВ - твердость материала по Бринеллю, МПа;
Н1=1 МПа - «единичная твердость», которую необходимо ввести для соблюдения соответствия единиц измерения Нц (если же в справочнике указана безразмерная твердость материала по Бринеллю, использовать Н1 в формуле (2) не нужно).
Работу выхода электрона контролируемого объекта ϕко в формуле (1) возможно определить измерением контактной разности потенциалов и рассчитать затем по формуле [8]:
Figure 00000003
или
Figure 00000004
где ϕиэ - работа выхода электрона измерительного электрода прибора измерения контактной разности потенциалов, Дж;
Uк - контактная разность потенциалов, измеренная на поверхности контролируемого объекта, В;
е - заряд электрона, Кл.
Подставив формулы (2) и (3) в формулу (1), получим итоговую формулу расчета поверхностной энергии Enp металлических деталей авиационной техники:
Figure 00000005
Прибор измерения контактной разности потенциалов, разработанный авторами [8], состоит из датчика, а также блока обработки и индикации (фиг. 1). Датчик состоит из электромеханической колебательной системы, электромагнитного возбудителя колебаний, буферного усилителя сигнала, снимаемого с динамического конденсатора (ДК), образуемого измерительным электродом (ИЭ) и поверхностью контролируемого объекта (КО).
Блок обработки и индикации состоит из усилителя сигнала, микропроцессора основной обработки сигнала, управления и индикации, жидкокристаллического индикатора отображения информации, а также блока питания с аккумулятором.
При измерении контактной разности потенциалов датчик прикладывается к поверхности КО (фиг. 1). В результате образуется ДК, обкладками которого являются поверхность КО и ИЭ. В состоянии покоя зазор между ИЭ и КО составляет 0,4 мм. Измерительный электрод представляет собой круглую никелированную пластину диаметром 4 мм. Работа выхода электрона никеля известна и составляет 7,21⋅10-19 Дж [2]. Для того чтобы при изменении емкости ДК возникал полезный сигнал, на ИЭ подается напряжение компенсации, а на КО через цилиндрический контакт (корпус датчика) подается 0 В («земля»).
Конденсатор называется динамическим потому, что ИЭ совершает возвратно-поступательные движения с частотой 410 Гц. Механические колебания ИЭ задаются микропроцессором основной обработки сигнала, управления и индикации, тактируемым от кварцевого резонатора. Для получения мощности, требуемой для приведения в движение электромеханической колебательной системы датчика, служит усилитель колебательной системы.
Поступающий от датчика сигнал, пройдя основной усилитель с предварительной фильтрацией полезного сигнала, обрабатывается в микропроцессоре основной обработки сигнала, управления и индикации. Результатом данной обработки является напряжение компенсации U, которое подается на ИЭ для получения нулевого эффективного значения напряжения полезного сигнала. Величина напряжения компенсации U и является значением искомой контактной разности потенциалов Uк в формулах (3) или (4). Полученное значение контактной разности потенциалов выводится на жидкокристаллический индикатор отображения информации в формате «999,9» мВ.
Измерению контактной разности потенциалов должна предшествовать тщательная очистка поверхности контролируемого объекта согласно [9], так как загрязнения значительно увеличивают работу выхода электрона контролируемого объекта и, соответственно, уменьшают измеряемую величину контактной разности потенциалов.
Авторами проведены экспериментальные исследования по определению поверхностной энергии конструкционных и инструментальных сплавов, применяемых в авиастроении. Результаты исследований представлены в таблице.
Figure 00000006
Контактная разность потенциалов Uк, используемая для определения работы выхода электрона исследуемого образца ϕко в формуле (5), измерялась разработанным авторами прибором «Поверхность-11» [8]. Отрицательные значения контактной разности потенциалов исходной поверхности образцов из 30ХГСА, ШХ15 и Р18 означают, что их работа выхода электрона больше работы выхода электрона измерительного электрода ϕиэ согласно формуле (4).
Из таблицы видно, что после зачистки металлических образцов наждачной бумагой контактная разность потенциалов Uк увеличивалась, что свидетельствует об уменьшении работы выхода электрона контролируемого объекта (согласно формуле (4)). Уменьшение работы выхода электрона в результате зачистки наждачной бумагой объясняется удалением слоя оксидов с поверхности исследуемых образцов и обнажением ювенильного металла. Оксиды увеличивают поверхностную энергию, а соответственно, их удаление влечет за собой ее уменьшение [1, 2].
Результаты определения значений поверхностной энергии металлических образцов, изготовленных из многокомпонентных сплавов, по разработанному авторами способу удовлетворительно сходятся с результатами, полученными другими авторами [2, 10, 11].
Таким образом, авторами предлагается определять поверхностную энергию металлических деталей авиационной техники с учетом их работы выходя электрона и твердости по следующему алгоритму:
1. Определение работы выхода электрона измерительного электрода ϕиэ прибора измерения контактной разности потенциалов.
2. Определение относительной твердости по шкале Мооса Нц по справочнику, экспериментально или расчетом по формуле (2).
3. Подготовка поверхности контролируемой детали к измерению контактной разности потенциалов согласно методике, изложенной в источнике [9].
4. Измерение контактной разности потенциалов на поверхности контролируемой детали.
5. Расчет поверхностной энергии контролируемой детали по формуле (5).
Предложенный авторами способ позволяет оперативно проводить определение поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники, изготовленных из многокомпонентных сплавов, в процессе их производства, эксплуатации и ремонта.
Источники информации
1. Миссол В. Поверхностная энергия раздела фаз в металлах. Перевод с польского Г.Н. Мехеда. Под ред. Ю.Н. Тарана. - М.: Металлургия, 1978. - 176 с.
2. Олешко B.C., Пиговкин И.С. Оперативное определение поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники // Интернет-журнал «Науковедение». - 2016. - Том 8. - №3. - http://naukovedenie.ru/PDF/. - [Свободный доступ].
3. Авторское свидетельство SU 505389 от 5.03.1976 г.
4. Авторское свидетельство SU 562752 от 25.06.1977 г.
5. Авторское свидетельство SU 1441268 от 30.11.1988 г.
6. Патент на изобретение RU 2200313 от 10.03.2003 г.
7. Олешко B.C. Расчет твердости металлических деталей авиационной техники // Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. - 2016. - №1. - С. 22-25.
8. Самойленко В.М., Олешко B.C. Применение прибора измерения контактной разности потенциалов «Поверхность-11» в неразрушающем контроле деталей машин // Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. - 2011. - №2. - С. 3-6.
9. Патент на изобретение RU 2488093 от 20.07.2013 г.
10. Чертовских С.В., Семенов В.И., Шустер Л.Ш. Влияние поверхностных энергий контактирующих материалов на триботехнические характеристики // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2015. - Том 3. - №4-1 (15-1). - С. 134-141.
11. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

Claims (8)

  1. Способ определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники, отличающийся тем, что значение поверхностной энергии определяют с учетом их твердости и работы выхода электрона, причем для определения работы выхода электрона на предварительно очищенной от загрязнений поверхности контролируемых деталей измеряют контактную разность потенциалов прибором, имеющим усилитель с предварительной фильтрацией сигнала, микропроцессор основной обработки сигнала, управления и индикации, индикатор отображения информации, а также датчик, имеющий в своем составе электромеханическую колебательную систему, электромагнитный возбудитель колебаний, буферный усилитель сигнала, вибрирующий измерительный электрод, изготовленный из материала с известной работой выхода электрона, и затем проводят расчет поверхностной энергии по формуле:
  2. Figure 00000007
  3. где Епр - поверхностная энергия, Дж/м2;
  4. ϕиэ - работа выхода электрона измерительного электрода прибора измерения контактной разности потенциалов, Дж;
  5. Uк - контактная разность потенциалов, измеренная на поверхности контролируемой детали, В;
  6. S1=1 м2 - «единичная площадь», которую необходимо ввести для соблюдения соответствия единиц измерения поверхностной энергии;
  7. НВ - твердость материала по Бринеллю, МПа;
  8. H1=1 МПа - «единичная твердость», которую необходимо ввести для соблюдения соответствия единиц измерения поверхностной энергии.
RU2016127449A 2016-07-07 2016-07-07 Способ определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники RU2644982C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016127449A RU2644982C2 (ru) 2016-07-07 2016-07-07 Способ определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016127449A RU2644982C2 (ru) 2016-07-07 2016-07-07 Способ определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2644982C2 true RU2644982C2 (ru) 2018-02-15

Family

ID=60998995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016127449A RU2644982C2 (ru) 2016-07-07 2016-07-07 Способ определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2644982C2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2717747C1 (ru) * 2019-08-14 2020-03-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Устройство измерения контактной разности потенциалов металлических деталей авиационной техники

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU408198A1 (ru) * 1972-02-09 1973-12-10 Прибор для измерения поверхностного натяжения
RU2200313C2 (ru) * 2001-03-06 2003-03-10 Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М.Бербекова Устройство для определения поверхностного натяжения твердого тела
RU2377535C2 (ru) * 2007-05-11 2009-12-27 Государственное научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси" Способ определения поверхностной энергии твердых тел и устройство для его осуществления
WO2012119274A1 (zh) * 2011-03-04 2012-09-13 中国人民解放军军事医学科学院毒物药物研究所 表面张力检测装置及方法
RU2488093C1 (ru) * 2011-12-02 2013-07-20 Владимир Станиславович Олешко Способ подготовки поверхности металлических деталей к оперативному выявлению прижогов измерением работы выхода электрона

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU408198A1 (ru) * 1972-02-09 1973-12-10 Прибор для измерения поверхностного натяжения
RU2200313C2 (ru) * 2001-03-06 2003-03-10 Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М.Бербекова Устройство для определения поверхностного натяжения твердого тела
RU2377535C2 (ru) * 2007-05-11 2009-12-27 Государственное научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси" Способ определения поверхностной энергии твердых тел и устройство для его осуществления
WO2012119274A1 (zh) * 2011-03-04 2012-09-13 中国人民解放军军事医学科学院毒物药物研究所 表面张力检测装置及方法
RU2488093C1 (ru) * 2011-12-02 2013-07-20 Владимир Станиславович Олешко Способ подготовки поверхности металлических деталей к оперативному выявлению прижогов измерением работы выхода электрона

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Э.А. КОЧАРОВ, В.М. САМОЙЛЕНКО, В.С. ОЛЕШКО, О ПРИЖОГАХ ЛОПАТОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ КОМПРЕССОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ КОНТРОЛЛЕ ИЗМЕРЕНИЕМ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА, НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА, N 173, Москва, 2011. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2717747C1 (ru) * 2019-08-14 2020-03-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Устройство измерения контактной разности потенциалов металлических деталей авиационной техники

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hirao et al. Electromagnetic acoustic transducers
Kumar et al. Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration
JP5718691B2 (ja) 転がり軸受材料の特性評価方法および装置
RU2644982C2 (ru) Способ определения поверхностной энергии металлических деталей авиационной техники
Chakraborty et al. Experimental characterization of concentration of nanofluid by ultrasonic technique
Wilde et al. Experimental observation of theoretically predicted spectrum of edge waves in a thick elastic plate with facets
Kuts et al. Using multidifferential transducer for pulsed eddy current object inspection
WO2011114684A1 (ja) 粘弾性の測定方法及び粘弾性の測定装置
Kalenychenko et al. Determination of mechanical properties of paramagnetic materials by multi-frequency method
Gao et al. Influence of vibrated area and normal force on friction reduction ratio between NBR/aluminum couple
Flynn et al. Toward utilizing full-field laser-ultrasound for practical nondestructive inspection with acoustic wavenumber spectroscopy
TW201235486A (en) Method for residual stress relief by using waveform characteristics
Damdinov et al. Study of shear properties of nanoparticle suspensions
Zhu et al. The potential of ultrasonic non-destructive measurement of residual stresses by modal frequency spacing using leaky lamb waves
JP5002608B2 (ja) 硬質粒子の濃度検出方法
Turner et al. Dynamic ultrasonic contact detection using acoustic emissions
Dultsev et al. QCM model as a system of two elastically bound weights
Kim et al. Failure analysis of MVR (machinery vapor recompressor) impeller blade
Ohtani et al. Nonlinear Resonant Ultrasound Spectroscopy (NRUS) applied to fatigue damage evaluation in a pure copper
Ganiev et al. Ultrasonic treatment by an intermediate striker: Tool dynamics and material improvement
Qiu et al. Resonant-mode effect on fluidic damping of piezoelectric microcantilevers vibrating in an infinite viscous gaseous environment
RU2717747C1 (ru) Устройство измерения контактной разности потенциалов металлических деталей авиационной техники
RU2649093C2 (ru) Способ определения вязкости веществ и устройство для его осуществления
Wdowik et al. Application of eddy current sensor system and LDV device for ultrasonic vibrations measurements
Skvortsov et al. Hardening of Titanium and Iron–Chrome–Nickel Alloy Samples to Increase Their Strength, Life, and Fatigue Properties