一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟装置及方法与流程

本发明涉及自然暴晒试验领域，尤其涉及一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟装置及方法。

背景技术：

通常材料长期使用要经过现场自然暴晒加速试验，来考察材料的耐蚀性能。材料的耐蚀性能包括化学腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀等。

其中，应力腐蚀是由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。常见应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。

户外自然暴晒加速试验又称大气加速老化试验。将需要测试的试样置于自然暴晒环境下，进行一定时间试验后测定其性能变化。

然而现有自然暴晒试验均为静态，多为考察材料的环境腐蚀情况，无法考察材料的应力腐蚀。因此提出一种金属构件应力腐蚀模拟方法，模拟应力对金属构件的腐蚀，解决现有自然暴晒试验中无法模拟应力腐蚀的技术问题是本领域技术人员需要克服的一个难关。

技术实现要素：

本发明实施例公开了一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟装置及方法，用于模拟金属构件的应力腐蚀，解决了现有自然暴晒试验中无法模拟应力腐蚀的技术问题。

本发明实施例提供了一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟装置，包括试样框架、待选金属构件试样、辅助弹簧、拉力弹簧、砝码；

所述待选金属构件试样固定在所述试样框架中；

所述辅助弹簧沿竖直方向连接所述待选金属构件试样；

所述砝码挂在所述辅助弹簧上；

所述拉力弹簧的一端连接所述待选金属构件试样，另一端固定；

其中，所述待选金属构件试样沿预设的应力方向m与水平面垂直放置，沿所述应力方向m设置的所述辅助弹簧连接所述待选金属构件试样，沿预设的静应力方向a设置的拉力弹簧连接所述待选金属构件试样，所述辅助弹簧下方加载的所述砝码的数量与依据预算的加载砝码重量和预设的放置频率相对应，固定所述拉力弹簧的位置关系与预算的拉力弹簧伸长量相对应，记录产生应力腐蚀断裂时间。

优选地，所述辅助弹簧与所述砝码的方向与所述待选金属构件试样模拟受到的瞬时应力后的残余应力方向相同，所述拉力弹簧的方向与所述待选金属构件试样模拟受到的静应力方向相同。

本发明实施例提供一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟方法，通过上述的应力腐蚀模拟装置进行模拟，包括：

将待选金属构件试样沿预设的应力方向m与水平面垂直放置，固定在放置在自然暴晒环境中的试样框架中；

沿所述应力方向m设置辅助弹簧连接所述待选金属构件试样，沿预设的静应力方向a设置拉力弹簧连接所述待选金属构件试样；

依据预算的加载砝码重量和预设的放置频率在所述辅助弹簧下方加载对应的应力砝码，依据预算的拉力弹簧伸长量调整固定所述拉力弹簧。

优选地，所述加载砝码重量的计算方法为：

选择现场自然试验加速倍率n，计算沿应力方向m的加载应力大小为σx＝σm+(2n-1)(σp-σm)/2n，其中σm为所述试样承受的瞬时最大拉伸应力大小，σp为极限拉伸应力；

通过所述加载应力大小σx和预测量的应力腐蚀界面积Sm计算加载砝码重量Gm＝σx*Sm/g。

优选地，所述弹簧伸长量的计算方法为：

计算拉力弹簧加载力σy＝σa+(2n-1)(Ka-σa)/2n，其中σa为所述试样受到的静应力大小，n为自然试验加速倍率，Ka为门槛断裂应力强度因子；

通过所述拉力弹簧加载力σy和预测量的应力腐蚀截面积Sa计算加载弹簧拉力σy*Sa。

优选地，所述极限拉伸应力σp由预实验一获得，所述预实验一具体包括：

所述待选金属构件试样沿所述应力方向m上进行拉伸试验，绘制拉伸曲线，从曲线中获得所述极限拉伸应力σp，所述极限拉伸应力σp为在拉伸试验过程中应力与应变成正比关系的最大应力。

优选地，所述门槛断裂应力强度因子Ka由预实验二获得，所述预实验二具体包括：

所述待选金属构件试样沿静应力方向a进行应力腐蚀试验，绘制时间t和载荷σ的曲线图，确定门槛断裂应力强度因子Ka，所述门槛断裂应力强度因子Ka为曲线中时间开始影响应力强度因子变化的临界值。

优选地，所述应力腐蚀模拟方法之前还包括：

根据所述试样的具体应用环境分析其受到的静应力方向a及静应力大小为σa，所受承受瞬时最大应力方向为m，瞬时最大应力大小为σm，瞬时最大应力出现频率为f。

优选地，所述应力腐蚀包括模拟静应力作用引起的腐蚀和残余应力作用引起的腐蚀。

优选地，所述应力腐蚀模拟方法之后还包括：

将所述已加载应力后的待选金属构件试样放置在自然环境下进行现场试验，记录产生应力腐蚀断裂时间，使得最终依据所述断裂时间长短选择工程中实际应用的金属构件材料。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟装置，运用砝码对瞬时最大应力引起的残余应力腐蚀进行加速模拟，运用拉力弹簧对现场环境下静载荷引起的应力腐蚀进行加速模拟，并且通过预实验的方式预先计算了模拟试验所需要的参数，实现自然暴晒试验中应力腐蚀的模拟。此外，本发明实施例方法还能根据应力腐蚀的模拟结果对工程中构件金属材料进行选材。本发明实施例公开了一种金属构件应力腐蚀模拟装置及方法，用于模拟金属构件的应力腐蚀，解决了现有自然暴晒试验中无法模拟应力腐蚀的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种金属构件应力腐蚀模拟装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种金属构件应力腐蚀模拟方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种金属构件应力腐蚀模拟方法中加载砝码重量计算方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种金属构件应力腐蚀模拟方法中弹簧伸长量计算方法的流程图；

图5为本发明另一个实施例提供的一种金属构件应力腐蚀模拟方法的流程图；

图6为本发明另一个实施例提供的一种金属构件应力腐蚀模拟方法的流程图。

其中，附图标记图下所示：

1、试样框架；2、待选金属构件试样；3、砝码；4、拉力弹簧。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟装置，运用砝码对瞬时最大应力引起的残余应力腐蚀进行加速模拟，运用拉力弹簧对现场环境下静载荷引起的应力腐蚀进行加速模拟，并且通过预实验的方式预先计算了模拟试验所需要的参数，实现自然暴晒试验中应力腐蚀的模拟。本发明实施例公开了一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟装置及方法，用于模拟金属构件的应力腐蚀，解决了现有自然暴晒试验中无法模拟应力腐蚀的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟装置，包括试样框架1、待选金属构件试样2、辅助弹簧、拉力弹簧4、砝码3；

待选金属构件试样2固定在试样框架1中；

辅助弹簧沿竖直方向连接待选金属构件试样2；

砝码3挂在辅助弹簧上；

拉力弹簧4的一端连接待选金属构件试样2，另一端固定；

其中，待选金属构件试样2沿预设的应力方向m与水平面垂直放置，沿应力方向m设置的辅助弹簧连接待选金属构件试样2，沿预设的静应力方向a设置的拉力弹簧4连接待选金属构件试样2，辅助弹簧下方加载的砝码3的数量与依据预算的加载砝码3重量和预设的放置频率相对应，固定拉力弹簧4的位置关系与预算的拉力弹簧4伸长量相对应，记录产生应力腐蚀断裂时间。

辅助弹簧与砝码3的方向与待选金属构件试样2模拟受到的瞬时应力后的残余应力方向相同，拉力弹簧4的方向与待选金属构件试样2模拟受到的静应力方向相同。

以上是对本发明实施例提供的一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟装置进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟方法进行详细的描述。

请参阅图2，本发明实施例提供一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟方法，通过上述的应力腐蚀模拟装置进行模拟，包括：

101、将待选金属构件试样沿预设的应力方向m与水平面垂直放置，固定在放置在自然暴晒环境中的试样框架中；

102、沿应力方向m设置辅助弹簧连接待选金属构件试样，沿预设的静应力方向a设置拉力弹簧连接待选金属构件试样；

103、依据预算的加载砝码重量和预设的放置频率在辅助弹簧下方加载对应的应力砝码，依据预算的拉力弹簧伸长量调整固定拉力弹簧。

请参阅图3，加载砝码3重量的计算方法为：

201、选择现场自然试验加速倍率n，计算沿应力方向m的加载应力大小为σx＝σm+(2n-1)(σp-σm)/2n，其中σm为试样承受的瞬时最大拉伸应力大小，σp为极限拉伸应力；

202、通过加载应力大小σx和预测量的应力腐蚀界面积Sm计算加载砝码重量Gm＝σx*Sm/g。

请参阅图4，拉力弹簧伸长量的计算方法为：

301、计算拉力弹簧加载力σy＝σa+(2n-1)(Ka-σa)/2n，其中σa为试样受到的静应力大小，n为自然试验加速倍率，Ka为门槛断裂应力强度因子；

302、通过拉力弹簧加载力σy和预测量的应力腐蚀截面积Sa计算加载弹簧拉力σy*Sa。

极限拉伸应力σp由预实验一获得，预实验一具体包括：

待选金属构件试样2沿应力方向m上进行拉伸试验，绘制拉伸曲线，从曲线中获得极限拉伸应力σp，极限拉伸应力σp为在拉伸试验过程中应力与应变成正比关系的最大应力。

门槛断裂应力强度因子Ka由预实验二获得，预实验二具体包括：

待选金属构件试样2沿静应力方向a进行应力腐蚀试验，绘制时间t和载荷σ的曲线图，确定门槛断裂应力强度因子Ka，门槛断裂应力强度因子Ka为曲线中时间开始影响应力强度因子变化的临界值。

本发明实施例提供的应力腐蚀模拟方法之前还包括：

根据试样的具体应用环境分析其受到的静应力方向a及静应力大小为σa，所受承受瞬时最大应力方向为m，瞬时最大应力大小为σm，瞬时最大应力出现频率为f。

应力腐蚀包括模拟静应力作用引起的腐蚀和残余应力作用引起的腐蚀。

本发明实施例提供的应力腐蚀模拟方法之后还包括：

将已加载应力后的待选金属构件试样2放置在自然环境下进行现场试验，记录产生应力腐蚀断裂时间，使得最终依据断裂时间长短选择工程中实际应用的金属构件材料。

以上是对本发明实施例提供的金属构件应力腐蚀模拟装置进行详细的描述，以下将对本发明另一个实施例提供的一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟方法进行详细的描述。

请参阅图5，本发明实施例另一个实施例提供的一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟方法包括：

401、分析需进行户外暴晒的试样受力情况，根据户外暴晒试样具体应用环境分析其试样所有受到的静应力方向a及静应力大小为σa，所受承受瞬时最大应力方向为m，应力大小为σm，瞬时最大应力出现频率为f；

402、选择预选方案金属构件进行实验室拉伸试验，沿试验金属构件在瞬时最大应力方向m上开展拉伸试验，绘制拉伸曲线，记录比例极限应力σp，即在拉伸试验过程中应力与应变成正比关系的最大应力。

403、选择预选方案金属构件，沿静应力方向a进行实验室应力腐蚀试验，绘制时间t和载荷σ的曲线图，确定门槛断裂应力强度因子Ka，即曲线中时间开始影响应力强度因子变化的临界值。

404、将待选金属材料构件试样放置在试样框架中，沿应力方向m加载应力砝码，具体方式为利用附图所示夹具，将待测金属构件沿所受应力方向m与水平面垂直方式悬挂放置，在a方向加载拉力弹簧。

405、选择现场自然试验加速倍率n，进而确定现场试验中加载应力大小。模拟瞬时最大应力作用后的残余应力腐蚀，所采用弹簧悬挂砝码方式加载应力大小为σx＝σm+(2n-1)(σp-σm)/2n，具体通过应力腐蚀界面积Sm，计算加载砝码重量Gm＝σx*Sm/g，依据频率f选择放置砝码的频率。

406、对步骤404所述待选金属材料构件沿静应力方向a加载拉伸弹簧，模拟静应力作用下的应力腐蚀，拉伸弹簧加载力σy＝σa+(2n-1)(Ka-σa)/2n，具体通过应力腐蚀截面积Sa，计算加载弹簧拉力σy*Sa，通过拉力计测试选用弹簧在该拉力下的伸长量l，将伸长量为l的弹簧固定金属构件与试样架中。

407、对步骤405和步骤406中所述已加载应力后的待选金属构件材料放置在自然环境下进行现场试验。记录产生应力腐蚀断裂时间，依据断裂时间长短选择工程中实际应用的金属构件材料。

需要说明的是，本发明实施例运用恒载荷法和变载荷法共同模拟应力腐蚀情况。

恒载荷法在模拟工程构件可能受到的工作应力或加工应力有较明显优势。与其他试验方法相比更为严格，试样寿命更短，应力腐蚀开裂的临界应力更低。可比较不同材料在该介质中抗应力腐蚀性能的优劣，适用不同类型和尺寸的试样,可采用不同的受力方法，适用于模拟静应力引起的应力腐蚀。通过变载荷法模拟金属构件受瞬时应力作用后残余应力导致的应力腐蚀，通过恒载荷和变载荷方法共同作用下，综合模拟金属构件所受应力腐蚀。

本发明实施例通过实验室拉伸试验和应力腐蚀试验结果对现场试验进行加速。

开展户外试验，需要选择适当载荷大小模拟应力腐蚀，在保证模拟现场实际自然环境及应用环境的前提下，对金属构件的应力腐蚀模拟进行加速。通过实验室拉伸试验结果计算瞬时最大应力，对瞬时最大应力引起的残余应力腐蚀进行加速模拟；通过实验室恒载荷应力腐蚀试验结果计算静载荷，对现场环境下静载荷引起的应力腐蚀进行加速模拟。

以上是对本发明另一个实施例提供的一种自然暴晒试验中金属构件应力腐蚀模拟方法的详细的描述，以下将对本发明另一个实施例提供的应力腐蚀模拟方法做详细的描述。

请参阅图6，本发明另一个实施例提供的应力腐蚀模拟方法包括：

501、获得金属构件材料在工程应用中各参数如下：构件受到的静应力方向a及静应力大小σa，瞬时最大应力方向m，应力大小σm，瞬时最大应力出现频率f；

502、现场自然暴晒试验中模拟应力腐蚀的参数，沿试验金属构件在瞬时最大应力方向m上开展拉伸试验，绘制拉伸曲线，记录比例极限应力σp。；

503、沿静应力方向a进行实验室应力腐蚀试验，绘制时间t和载荷σ的曲线图，确定门槛断裂应力强度因子Ka；

504、选择现场自然试验加速倍率n，模拟瞬时最大应力作用后的残余应力腐蚀，采用弹簧悬挂砝码方式加载应力大小为σx＝σm+(2n-1)(σp-σm)/2n，具体通过应力腐蚀界面积Sm，计算加载砝码重量Gm＝σx*Sm/g

505、模拟静应力作用下的应力腐蚀，拉伸弹簧加载力σy＝σa+(2n-1)(Ka-σa)/2n，具体通过应力腐蚀截面积Sa，计算加载弹簧拉力σy*Sa；

506、现场自然暴晒试验中模拟应力腐蚀的样品安放及施加加载应力方法：将待选金属构件试样固定在试样框架中，试样沿m方向与水平面垂直放置，沿应力方向m加载应力砝码，在a方向加载拉力弹簧。

507、记录不同金属构件材料产生应力腐蚀断裂时间，依据断裂时间长短选择工程中实际应用的金属构件材料，分析应力腐蚀断裂原因及机理。

需要说明的是，本发明实施例中应力腐蚀包括模拟静应力作用引起的腐蚀和残余应力作用引起的腐蚀两种。

本发明实施例通过实验室拉伸试验和应力腐蚀试验结构确定现场自然试验中不同加速比率对应的加速试验施加应力大小、方式及频率。

上述步骤506中所述固定试验框架可以同时实现静应力(拉应力)作用下的应力腐蚀和瞬时应力后的残余应力腐蚀。

本发明有利于前期在真实户外环境中模拟应力腐蚀失效情况，对户外结构用金属材料选型有重要意义。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。