一种应力可调的耐腐蚀性能测量装置及测量方法
【专利摘要】一种应力可调的耐腐蚀性能测量装置，所述测量装置包括拉伸试验机、刚性框架、紧固螺母、螺杆样品、应力测试装置；所述刚性框架的一面设有螺杆样品安装孔A，相对面设有螺杆样品安装孔B，螺杆样品安装孔A和螺杆样品安装孔B的圆心在同一水平线上；所述螺杆样品插在螺杆样品安装孔A和螺杆样品安装孔B内，通过紧固螺母固定；所述螺杆样品的材质与待测试样材质相同；螺杆样品两端连接拉伸试验机的卡具，应力测试装置设于螺杆样品中部。采用本发明所述应力可调的耐腐蚀性能测量装置，不仅能够测得考虑应力影响的材料耐腐蚀性能参数，并且针对结构的实际服役条件测定相应应力水平下的耐腐蚀性能参数，更准确的评价结构实际服役时的耐蚀性能。
【专利说明】一种应力可调的耐腐蚀性能测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于耐蚀性能测量【技术领域】，尤其是涉及一种应力可调的耐蚀性能测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002]已知的，随着工业化水平的提高，各领域对高性能新材料尤其是金属材料的需求日益强烈。由于使用环境不同，材料暴露于大气和海洋等介质，使得腐蚀不可避免。腐蚀给材料造成巨大的损失，金属材料的腐蚀直接关系到国民经济的各个领域，因此金属材料的腐蚀和防护成为材料科学中亟待解决的问题。
[0003]由于陆地资源的过度消耗和减少，为满足工业技术的发展，发展海洋科技成为各国的首要任务。随着海洋开发、港口建设、沿海核电、石油化工、大型钢铁企业以及造船行业的发展，金属材料在海洋环境中的应用日益得到重视，应用量、应用范围不断增大。而海水是自然环境最严酷最充足的腐蚀性介质，为了对金属材料进行正确的选用和防护，提高经济效益，使研究金属材料在海洋环境中的腐蚀行为和规律以及积累常用材料的海洋腐蚀数据变为十分紧迫。
[0004]均匀腐蚀和点蚀是在海洋环境中的结构件的两种常见的腐蚀类型。均匀腐蚀是指在金属表面上几乎以相同的速度所进行的腐蚀。点蚀是材料表面局部区域内出现向深处发展的腐蚀小孔，表面的其余部分则往往无任何明显的腐蚀，蚀孔一旦形成，具有“深挖”的动力，即向深处自动加速进行的作用。均匀腐蚀和点蚀都具有极大的隐患性和破坏性。均匀腐蚀和点蚀的表征参量分别为均匀腐蚀速率和点蚀敏感性。另外，试样暴露过程中可能发生应力腐蚀开裂现象,腐蚀开裂时间也是材料耐腐蚀性能的表征参量。因此,准确测量材料的耐腐蚀性能参数具有重要的意义。
[0005]目前，测定材料的均匀腐蚀速率试验主要有两类:一类为室内加速腐蚀试验，可快速评价材料的耐蚀性，但难以模拟实际使用环境，试验结果与材料实际腐蚀行为一致性较差；另一类为海洋挂片试验，即将试件放入实际使用环境中试验，可用于研究材料的腐蚀机理、腐蚀规律和腐蚀失效原因。
[0006]以上耐腐蚀性测量的试验条件均为无加载的自由状态，不考虑应力对腐蚀速率的影响。由于影响海水腐蚀因素的多样化和复杂化，尤其是结构服役时的外加载荷(应力)对腐蚀速率的影响至关重要，依靠传统的不考虑应力影响的耐腐蚀性试验研究金属材料的腐蚀规律，不能真实全面地放映金属材料实际服役条件下的腐蚀情况，所得试验结果不能准确评价结构实际服役时的耐蚀性能，实际参考依据不足。
[0007]现有耐腐蚀性的测试条件均为无加载的自由状态，而构件在服役时总会承受相应的外加载荷，外加载荷(应力)必然影响腐蚀速率。但考虑应力影响的材料耐腐蚀性测试研究国内基本处于空白，导致耐腐蚀性测试结果与实际结构服役时的结果一致性较差。针对现有的不考虑应力影响的耐腐蚀性测试装置和方法的不合理性，根据结构服役条件，设计试验结果更可靠的考虑不同应力水平对材料腐蚀速率影响的应力可调的耐腐蚀性测试装置，提供更准确合理的耐腐蚀性试验数据，开展相应的研究工作，具有现实意义。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种应力可调的耐腐蚀性能测量装置，能够根据实际服役条件方便准确测得材料的耐腐蚀性能参数，以解决传统的材料耐腐蚀性能参数测量时不考虑应力对腐蚀速率影响的问题。
[0009]为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种应力可调的耐腐蚀性能测量装置，所述测量装置包括拉伸试验机、刚性框架、紧固螺母、螺杆样品、应力测试装置；所述刚性框架的一面设有螺杆样品安装孔A，相对面设有螺杆样品安装孔B，螺杆样品安装孔A和螺杆样品安装孔B的圆心在同一水平线上；所述螺杆样品插在螺杆样品安装孔A和螺杆样品安装孔B内，通过紧固螺母固定；所述螺杆样品的材质与待测试样材质相同；螺杆样品两端连接拉伸试验机的卡具，应力测试装置设于螺杆样品中部。
[0011]本发明所述的应力测试装置为引伸计或者应变片。
[0012]本发明所述的刚性框架为中部镂空的长方体或圆柱体。
[0013]一种应力可调的耐腐蚀性能测量方法，其测量步骤为:①将螺杆样品插在刚性框架的螺杆样品安装孔A和螺杆样品安装孔B中，用紧固螺母固定；
[0014]②将拉伸试验机的卡具卡住螺杆样品的两端，通过拉伸试验机对螺杆样品施加载荷，用应力测试装置测试拉伸试验机对螺杆样品施加载荷的应力数值；
[0015]③用紧固螺母将螺杆样品与刚性框架固定，然后将螺杆样品两端与拉伸试验机卡具分离，并将拉伸试验机卸载，保持应力数值不变；
[0016]④将螺杆样品中部用胶布粘上，连同被紧固螺母固定在一起的刚性框架全部侵入防腐涂料中涂装，涂装后待防腐涂料晾干，将胶布去除，并将试验装置放入海洋腐蚀环境中进行暴露；
[0017]⑤按照点蚀或均匀腐蚀的测量方法测量螺杆样品样品的耐腐蚀性能参数。
[0018]考虑应力影响的耐腐蚀性能测量时，无法直观确定施加应力的大小。由于结构服役时的载荷都不会大于材料的屈服强度，即螺杆样品结构处于弹性范围内，可按照弹性力学理论处理。而根据式(I)胡克定律可知，试件中应力大小可通过控制试件的应变大小实现(温度一定时，材料的弹性模量为一固定值)，而应变大小可通过引伸计或应变片测得。因此，测得指定试验温度时材料的弹性模量后，可通过调节应变的大小，实现应力可调，进而实现不同应力水平的加载(应变和应力—对应)。
[0019](I)
[0020]式中σ——加载的应力；
[0021 ] E——试样材料的弹性模量；
[0022]ε——加载的应变。
[0023]点蚀和均匀腐蚀是在海洋环境中的金属结构件的两种常见的腐蚀类型。准确测量考虑应力影响时金属材料的点蚀敏感性和均匀腐蚀速率具有重要的意义。对出现的点蚀坑的深度进行测量，可确定一定时间内点蚀坑的最大深度和平均深度，以评价特定应力水平下材料的点蚀敏感性。采用失重法测试，可给出特定应力水平下材料的均匀腐蚀速率，如式(2)所示:定期(暂定I周，具体监测周期需要与试验人员协商、视实际试验条件而定)对试验装置进行称重计算，在理想条件下，被防腐涂料包裹的部分螺杆样品及刚性框架未发生腐蚀，失重应全部计入暴露部分。
[0024]均匀腐蚀速率=kW/AtP (2)
[0025]式中k——常数，等于3.65X 103 ;
[0026]W——相应的应力水平时试样腐蚀失重，g ；
[0027]A——试样表面积，cm2 ；
[0028]t-试验时间，d;
[0029]P——材料密度，g/cm3。
[0030]考虑到暴露过程中螺杆样品可能发生应力腐蚀开裂现象，特定应力水平下的腐蚀开裂时间也是表征材料耐腐蚀性能的重要参量。试样暴露过程中，全程采用实海监测电化学装置监测试样的电位变化，如发生腐蚀开裂，则通过电位变化可判定特定应力水平下的腐蚀开裂时间。
[0031]以上的耐腐蚀性能参数通过应力可调的耐腐蚀性能测量装置测得，可考虑不同应力水平的影响，比传统的不考虑应力影响的耐腐蚀性能参数更能准确的评价材料的耐腐蚀性能。另外，将不同应力水平下试验数据进行回归处理，可获得耐腐蚀性能参数与应力之间的关系。
[0032]为了准确测量特定应力水平下的耐腐蚀性能参数，使用本发明时，螺杆、螺母和刚性框架，三者之间相互关联不能分开使用，具有相应的特定技术特征。
[0033]由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果:本发明具有设计原理简单、操作方便、效率高、适应性强等优点，本发明的应力可调节性使得该装置能够对不同应力水平、不同材料的耐腐蚀性能参数进行测量。在本发明应力可调的耐腐蚀性能测量装置作用下，可以获得特定腐蚀介质中不同应力水平下材料的均匀腐蚀速率、点蚀敏感性和腐蚀开裂时间。使用本发明应力可调的耐腐蚀性能测量装置测得的耐腐蚀性能参数，由于考虑了应力对耐腐蚀性能的影响，可以更准确的指导结构的实际服役情况。
[0034]采用本发明所述应力可调的耐腐蚀性能测量装置，不仅能够测得考虑应力影响的材料耐腐蚀性能参数，并且针对结构的实际服役条件测定相应应力水平下的耐腐蚀性能参数，更准确的评价结构实际服役时的耐蚀性能。从工程适应性方面考虑，通过装置的应力可调节作用，可针对不同应力水平、不同材料，使该装置具有较广的工程适应性。
[0035]本发明的具体优点为:
[0036](I)利用应力可调的耐腐蚀性能测量装置可以测得考虑应力影响的材料耐腐蚀性能参数，能够更准确的指导结构的实际服役情况。避免了传统的耐腐蚀性能参数测量时不考虑应力影响的缺点。
[0037](2)利用应力可调的耐腐蚀性能测量装置可以测得不同应力水平下的耐腐蚀性能参数，原理简单、操作方便、工程适用性广。避免了传统的耐腐蚀性能测量装置工程适应性低的缺点。
[0038](3)将利用应力可调的耐腐蚀性能测量装置测得的不同应力水平下试验数据进行回归处理，获得耐腐蚀性能参数与应力之间的关系。能够更有效的评价不同应力水平时的耐腐蚀性能。避免了针对特定应力水平时的耐腐蚀性能参数需一一测量的缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1是本发明应力可调的耐腐蚀性能测量装置中刚性框架以及螺杆样品的结构示意图。
[0040]图中:1、刚性框架；2、螺杆样品安装孔A ;3、螺杆样品安装孔B ;4、螺杆样品；5、紧固螺母。
[0041]图2是本发明应力可调的耐腐蚀性能测量装置的结构示意图。
[0042]图中:1、刚性框架；2、螺杆样品安装孔A ;3、螺杆样品安装孔B ;4、螺杆样品；5、紧固螺母；6、拉伸试验机的卡具；7、应力测试装置。
【具体实施方式】
[0043]通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
[0044]本发明所述应力可调的耐腐蚀性能测量装置包括拉伸试验机、刚性框架1、紧固螺母5、螺杆样品4、应力测试装置7 ;所述刚性框架I的一面设有螺杆样品安装孔A2，相对面设有螺杆样品安装孔B3，螺杆样品安装孔A2和螺杆样品安装孔B3的圆心在同一水平线上；所述螺杆样品4插在螺杆样品安装孔A2和螺杆样品安装孔B3内，通过紧固螺母5固定；所述螺杆样品4的材质与待测试样材质相同；螺杆样品4两端连接拉伸试验机的卡具6，应力测试装置7设于螺杆样品4中部。所述应力测试装置7为引伸计或者应变片。本发明的所述的螺杆样品4就是应力可调的耐腐蚀性能测量装置要测量的样品，它为装置的一部分，用样品的材质设计成螺杆样品样式，便于安装固定。通过拉伸试验机将螺杆样品4加载到所需应力水平，使用紧固螺母5将穿过刚性框架I的螺杆样品两端与刚性框架I紧固，实现螺杆样品4中应力的施加。通过控制螺杆样品4中部的引伸计或者应变片的数值大小实现不同应力水平的施加。再进行相应的耐腐蚀性能参数的测量，即可实现不同应力水平时的材料耐腐蚀性能参数的测量。装置的应力可调性和操作简单有助于装置的推广。
[0045]测量考虑应力时的耐腐蚀性能参数之前，做好准备工作:按所需尺寸要求加工刚性框架1，保证刚性框架I与螺杆样品4同轴，将螺杆样品4穿过刚性框架I的螺杆样品安装孔，并将紧固螺母套装在螺杆样品的端部，此时无需拧紧螺母，将螺杆样品两端与拉伸试验机卡具6相连，在螺杆样品4中部安装引伸计或应变片，并保证未加载前引伸计或应变片的示数为零，拉伸试验机对螺杆样品4施加载荷，当引伸计或应变片的数值达到所对应的应力值时停止加载，此时需将螺杆样品4两端的紧固螺母5与刚性框架I的连接部位拧紧，将试验装置与拉伸试验机卡具分离，并将拉伸试验机卸载，观察引伸计或应变片的数值是否发生变化，如发生变化，需重新加载，直至最终卸载后试件上的引伸计或应变片的数值满足所对应的应力数值。将螺杆样品4上待测部位用胶布粘上保护好，将带试样的整个装置侵入防腐涂料中进行保护涂装，待防腐涂料晾干后，将胶布去除，并将试验装置放入相应的海洋腐蚀环境中进行暴露。一定时间后，按照相应的测量方法测量耐腐蚀性能参数。通过本发明应力可调的耐腐蚀性能测量装置结合相应的耐腐蚀性能参数测量方法，即可测得一定应力水平下的材料耐腐蚀性能参数，更有效合理的指导结构的实际服役情况。
[0046]设计应力可调的耐腐蚀性能测量装置可适应不同应力水平时材料耐腐蚀性能参数测量。为了获得准确的不同应力水平时的材料耐腐蚀性能参数，本发明采取了以下几条措施:
[0047](I)、通过拉伸试验机将螺杆样品施加载荷，当应力达到所需水平时，用紧固螺母5将螺杆样品4和刚性框架I拧紧，再将螺杆样品4与拉伸试验机卡具6分离。其主要目的是保证试件中应力的施加。
[0048](2)、在试件上待测部位以外的部位安装引伸计或应变片。其主要目的是通过调节引伸计或应变片数值达到调节应力的作用，实现应力的可调节性。
[0049]针对始终浸泡在海水中(全浸)的结构材料，应力水平分别为400MPa、500MPa、600MPa、700MPa、和800MPa的材料耐腐蚀性能参数的测量。使用本发明应力可调的耐腐蚀性能测量装置，按照上述的工作过程进行相应的应力水平时的耐腐蚀性能测量，测量时保证可调的耐腐蚀性能测量装置中的待测部位始终浸泡在海水中，试验周期最初确定为6个月?I年，实际周期需根据试样的腐蚀情况而定。
[0050]针对使用过程中经历干湿交替(间浸)的结构材料，应力水平分别为400MPa、500MPa、600MPa、700MPa、和800MPa的材料耐腐蚀性能参数的测量。使用本发明应力可调的耐腐蚀性能测量装置，按照上述的工作过程进行相应的应力水平时的耐腐蚀性能测量，测量时保证可调的耐腐蚀性能测量装置中的待测部位在海水中和结构实际服役过程一样经历干湿交替，试验周期最初确定为6个月?I年，实际周期需根据试样的腐蚀情况而定。
[0051]针对使用过程中部分接触海水(半浸)的结构材料，应力水平分别为400MPa、500MPa、600MPa、700MPa、和800MPa的材料耐腐蚀性能参数的测量。使用本发明应力可调的耐腐蚀性能测量装置，按照上述的工作过程进行相应的应力水平时的耐腐蚀性能测量，测量时保证可调的耐腐蚀性能测量装置中的待测部位位于水线附近，试验周期最初确定为6个月?I年，实际周期需根据试样的腐蚀情况而定。
[0052]根据不同的结构材料，应力水平的设置不同，试验周期也不同，根据试样的腐蚀情况而定。
[0053]本发明未详述部分为现有技术。
【权利要求】
1.一种应力可调的耐腐蚀性能测量装置，其特征是:所述测量装置包括拉力试验机、刚性框架(I)、紧固螺母(5)、螺杆样品(4)、应力测试装置(7);所述刚性框架(I)的一面设有螺杆样品安装孔A (2)，相对面设有螺杆样品安装孔B (3)，螺杆样品安装孔A (2)和螺杆样品安装孔B (3)的圆心在同一水平线上；所述螺杆样品(4)插在螺杆样品安装孔A (2)和螺杆样品安装孔B (3)内，通过紧固螺母(5)固定；所述螺杆样品(4)的材质与待测试样材质相同；螺杆样品(4)两端连接拉伸试验机的卡具(6)，应力测试装置(7)设于螺杆样品(4)中部。
2.如权利要求1所述的应力可调的耐腐蚀性能测量装置，其特征是:所述应力测试装置(7)为引伸计或者应变片。
3.如权利要求1所述的应力可调的耐腐蚀性能测量装置，其特征是:所述刚性框架(I)为中部镂空的长方体或圆柱体。
4.一种应力可调的耐腐蚀性能测量方法，其特征是:其测量步骤为:①将螺杆样品(4)插在刚性框架(I)的螺杆样品安装孔A (2)和螺杆样品安装孔B (3)中，用紧固螺母(5)固定; ②将拉伸试验机的卡具(6)卡住螺杆样品(4)的两端，通过拉伸试验机对螺杆样品(4)施加载荷，用应力测试装置(7)测试拉伸试验机对螺杆样品(4)施加载荷的应力数值； ③用紧固螺母(5)将螺杆样品(4 )与刚性框架(I)固定，然后将螺杆样品(4 )两端与拉伸试验机卡具(6)分离，并将拉伸试验机卸载，保持应力数值不变； ④将螺杆样品(4)中部用胶布粘上，连同被紧固螺母(5)固定在一起的刚性框架(I)全部侵入防腐涂料中涂装，涂装后待防腐涂料晾干，将胶布去除，并将试验装置放入海洋腐蚀环境中进行暴露； ⑤按照点蚀或均匀腐蚀的测量方法测量螺杆样品样品的耐腐蚀性能参数。
【文档编号】G01N17/00GK104458547SQ201410201927
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】薛钢, 王涛, 宫旭辉 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所