一种金属材料海洋大气环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验方法与流程

本发明涉及环境试验技术领域，具体涉及一种金属材料海洋大气环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验方法。

背景技术：

飞机起落架、石油钻井钻头等装备承力结构户外环境服役过程中，一方面环境中的温度、湿度、腐蚀介质等多种环境因素的综合作用会引起承力结构的腐蚀或破坏，另一方面，承力结构服役过程遭受反复的拉压、弯曲和扭转等疲劳力学载荷作用，这种环境腐蚀与疲劳力学载荷的耦合作用对装备影响大于两者的简单叠加，极易造成装备承力结构提前破坏甚至断裂，而环境腐蚀-疲劳载荷耦合作用导致的危害性、破坏性通常无法提前预测，耦合作用下的隐患一旦发生通常会造成机毁人亡的重大灾难，严重影响装备的可靠安全服役。因此，急需针对装备承力结构服役过程中遭受的环境腐蚀-疲劳力学载荷耦合作用工况，有计划开展户外环境腐蚀-疲劳力学载荷耦合加速试验研究；而拉压疲劳载荷作为装备服役中最常见的载荷形式之一，研究户外环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验意义重大，建立户外环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验方法，对于快速掌握户外环境腐蚀与疲劳力学载荷耦合作用下性能退化规律具有重要指导作用，也可丰富和发展腐蚀疲劳相关理论。

目前，为了模拟户外环境腐蚀-拉压疲劳载荷耦合作用工况，研究人员主要通过实验室腐蚀疲劳试验进行模拟，包括两种形式：(1)实验室环境下，对试验件首先开展环境腐蚀试验，腐蚀试验结束后再进行拉压交变载荷疲劳试验，并按一定周期进行循环。这种环境腐蚀-疲劳载荷循环试验方式，由于实施操作比较方便被大量研究者采用，但其不能完全反映装备服役实际遭遇的环境腐蚀与疲劳载荷耦合作用；(2)实验室环境下，将疲劳试验设备疲劳载荷加载部位增加“环境小盒”，用于模拟某种腐蚀环境，以达到环境腐蚀与疲劳载荷的耦合作用，但这种“环境小盒”通常只模拟一种环境条件，如湿度、温度或腐蚀溶液，不能充分反映户外环境中温度、湿度、太阳辐射、盐雾等多种环境因素的综合作用。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足之处，本发明提出一种金属材料海洋大气环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验方法，其真实反映海洋大气多种环境因素腐蚀与拉压疲劳载荷耦合作用对金属材料性能退化影响，克服了传统实验室加速试验难以真实反映海洋大气多种环境因素腐蚀的综合影响、而自然环境静态暴露试验不能反映拉压疲劳载荷影响的不足。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：一种金属材料海洋大气环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验方法，其包括步骤有：将呈轴状结构的金属材料在置于海洋大气户外环境下进行包含拉压疲劳试验、静态暴露试验的交替循环试验，以天为试验基本单位，以设定周期进行抗拉强度、断后伸长率数据检测；同时将该呈轴状结构的金属材料于同等海洋大气户外环境下进行环境静态暴露试验，以设定周期进行抗拉强度、断后伸长率数据检测，并绘制金属材料的海洋大气环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验与海洋大气户外环境静态暴露试验的抗拉强度、断后伸长率对比曲线，作为金属材料的海洋户外环境适应性评价指标。

具体地，所述金属材料为铝合金、钢。

具体地，所述拉压疲劳试验包括：

由载荷零点拉至载荷峰值，再由载荷峰值降至载荷零点，接着由载荷零点压至载荷谷值，再由载荷谷值升至载荷零点，作为一个拉压疲劳载荷循环，

以铝合金为-0.23fm～0.23fm，钢为-0.19fm～0.19fm为应力水平、应力比为-1、正弦波加载波形、5hz加载频率对所述呈轴状结构的金属材料进行拉压疲劳载荷循环加载，加载时间：每天上午连续25分钟，下午连续25分钟；

所述静态暴露试验包括：将金属材料于所述拉压疲劳试验同等环境下静置，此过程不对金属材料施加除大气压强外的任何外界载荷，静置时间：每天除进行拉压疲劳试验外的其余时间，其中，fm为金属材料本身的最大力。

具体地，包含拉压疲劳试验、静态暴露试验的交替循环试验的设定周期为14、21、28、35天，以设定周期当日进行交替循环试验后进行抗拉强度、断后伸长率性能检测。

具体地，所述环境静态暴露试验包括：

将呈轴状结构的金属材料朝南并与水平成45°倾角静置，此过程不对金属材料施加除大气压强外的任何外界载荷，设定周期为3、6、12个月，每个周期对金属材料进行抗拉强度、断后伸长率性能检测。

本发明的有益效果：

1.真实反映了金属材料海洋大气环境服役过程中遭受温度、湿度、盐雾等多种大气环境因素腐蚀与拉压疲劳载荷的耦合作用，与传统实验室模拟加速试验和自然环境静态暴露试验相比，耦合试验结果更加贴近金属材料实际服役情况。

2.克服了传统实验室加速试验难以真实反映海洋大气温度、湿度、盐雾等多种环境因素腐蚀的综合影响，而自然环境静态暴露试验不能反映拉压疲劳载荷影响的不足。

3.更加真实而快速地考核与评估了金属材料环境适应性，海洋大气环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验相对于海洋大气户外环境静态暴露试验的加速倍率达到10倍以上，加速性显著，可满足金属材料服役过程环境适应性快速考核与评估的需求。

4.与传统自然环境静态暴露试验相比，实现了金属材料环境适应性考核与评估由静态试验向动态试验的转变。

附图说明

图1是海洋气候环境-拉、压、弯工况载荷耦合试验装置；

图2是装配金属材料的拉压夹具；

图3是拉压疲劳载荷试验加载波形示意图；

图4是2a12铝合金2种试验抗拉强度对比曲线；

图5是2a12铝合金2种试验断后伸长率对比曲线；

图6是30crmnsia钢2种试验抗拉强度对比曲线；

图7是30crmnsia钢2种试验断后伸长率对比曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本发明。

本实施例中，采用2a12铝合金、30crmnsia钢作为试验材料，所有金属材料均为裸材，将金属材料加工成轴状结构的样品。

本实施例选用的耦合试验装置为海洋气候环境-拉、压、弯工况载荷耦合试验装置，如图1所示，安装于具有典型海洋大气环境的海南试验站近海岸试验场。

本实施例的海洋大气户外环境下拉压疲劳载荷试验是通过拉压夹具实现的，装配试验件的拉压夹具见图2。首先采用拉压夹具将样品固定，当样品进行拉-压试验时，由载荷零点拉至载荷峰值，再由载荷峰值降至载荷零点，上述两个过程属于拉伸试验；接着由载荷零点压至载荷谷值，再由载荷谷值升至载荷零点，后两个过程属于压缩试验，上述四个过程属于一个拉-压疲劳载荷循环。加载过程如图3所示。

本实施例的海洋大气户外环境静态暴露试验在海南试验站近海岸试验场开展，试验件朝南并与水平成45°倾角，性能检测周期为3、6、12个月，每周期检测试验件的抗拉强度和断后伸长率。

海洋大气户外环境下拉压疲劳载荷试验的具体条件如下：

载荷类型：拉压疲劳载荷；

应力水平：铝合金为-0.23fm～0.23fm，钢为-0.19fm～0.19fm，其中fm为材料本身的最大力；

加载频率：5hz；

应力比：-1；

加载波形：正弦波；

性能检测周期：14、21、28、35天；

拉压疲劳载荷循环加载频次：每天加载2次，上午1次，下午1次；

每次拉压疲劳载荷加载时间：25分钟。

海洋大气户外环境静态暴露试验：海洋大气户外环境下拉压疲劳载荷试验后，试验件在海洋大气户外环境进行静态暴露试验。

具体由海洋大气户外环境下拉压疲劳载荷试验和海洋大气户外环境静态暴露试验组成，所述海洋大气户外环境下拉压疲劳载荷试验和海洋大气户外环境静态暴露试验依次交替循环，详细循环如下：

海洋大气户外环境下拉压疲劳载荷试验25分钟(上午)+海洋大气户外环境静态暴露试验+海洋大气户外环境下拉压疲劳载荷试验25分钟(下午)+海洋大气户外环境静态暴露试验+……。

依据上述设计的试验条件，以2a12铝合金、30crmnsia钢为试验材料，采用海洋气候环境-拉、压、弯工况载荷耦合试验装置对其开展海洋大气户外环境下拉压疲劳载荷试验、海洋大气户外环境静态暴露试验，试验检测周期分别为14、21、28、35天，每个试验结束后检测试验件的抗拉强度、断后伸长率。

图4-图5是2a12铝合金海洋大气环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验与海洋大气户外环境静态暴露试验的抗拉强度和断后伸长率对比曲线。由图得知，耦合试验35天，2a12铝合金抗拉强度和断后伸长率分别下降5.6％和25％；静态暴露试验1年，2a12铝合金抗拉强度和断后伸长率分别下降2.4％和10.7％。

图6-图7是30crmnsia钢海洋大气环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验与海洋大气户外环境静态暴露试验的抗拉强度和断后伸长率对比曲线。由图得知，耦合试验35天，30crmnsia钢抗拉强度和断后伸长率分别下降3.6％和23.3％；静态暴露试验1年，30crmnsia钢抗拉强度和断后伸长率分别下降3.6％和16.7％。

上述试验结果表明，海洋大气环境腐蚀与拉压疲劳载荷耦合作用可加速2a12铝合金、30crmnsia钢的抗拉强度和断后伸长率的下降速率，与海洋大气户外环境静态暴露试验相比，海洋大气环境-拉压疲劳载荷耦合加速试验的加速倍率约为10倍。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。