本发明涉及金属应力腐蚀试验，尤其涉及一种交变应力下金属腐蚀的辨识装置和方法，属于腐蚀测试技术领域。
背景技术：
暴露在大气和海洋环境中的桥梁结构等其他建筑结构，受到氯离子和其他腐蚀介质的侵蚀容易发生金属腐蚀，而实际的桥梁结构由于风压、雪压、车辆行驶作用使得桥梁承受恒荷载、动荷载及交变式荷载，会严重加剧金属性能的裂化。有效的模拟工程结构受荷状态研究多工况应力腐蚀，是金属结构服役可靠性分析和寿命评估的关键技术问题。
申请号为cn201410151891.0的发明申请公开了一种钢筋起锈及氯离子浓度极限状态的提示装置和提示方法。钢筋起锈及氯离子浓度极限状态的提示装置包括起锈试件、弓架和试件张力调整器，所述的起锈试件是钢弦；钢弦由弓架绷紧，钢弦的一端固定在弓架的一端，钢弦的另一端通过试件张力调整器固定在弓架的另一端。将上述的提示装置放在腐蚀环境中，当钢弦断裂，弓架弹开时，即提示钢筋起锈、达到氯离子浓度极限状态。首先，该识别装置只考虑了单一的静载作用，而未考虑动荷载作用下提示装置及方法；其次，该装置在持续的荷载作用下，弓架会发生徐变，使得金属丝实际应力与最初测量应力不同，并且随着试验时间的延长，力的改变越大；第三，对于延性较好的金属材料，弓形装置会因为金属丝线的拉伸伸长而导致弓架施力减小。
技术实现要素：
因此，针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种结构简单、受力工况多样，特别是交变应力下的金属腐蚀的辨识装置和方法，用以解决交变拉力条件下的金属腐蚀辨识以及拉力确定和腐蚀速率计算等问题。
为实现上述发明，本发明提供的技术方案如下：
金属腐蚀的辨识装置，包括金属试件、计时器、张紧装置和液槽，所述张紧装置又包括支座、第一定滑轮、第二定滑轮、牵引索、砝码和振动电机；其中，所述支座固定在液槽内下部的一侧，第一定滑轮固定在液槽内下部的另一侧，第二定滑轮固定在第一定滑轮一侧液槽侧壁的上端；所述金属试件的一端固定在支座上，另一端与牵引索的第一端连接；牵引索先后绕过第一定滑轮和第二定滑轮，牵引索的第二端位于液槽的外侧，牵引索的第二端悬挂所述的砝码，振动电机固定在砝码上；所述计时器是按钮式电子计时器，按钮式电子计时器布置在振动电机正下方。
进一步地，所述的砝码包括增砣和砣挂，砣挂悬挂在所述牵引索的第二端，所述振动电机粘贴在砣挂的底面。
进一步地，所述牵引索的第二端上面系有一个圆环，所述圆环上悬挂所述增砣和砣挂。
进一步地，所述金属试件的一端通过非金属紧固螺栓固定在所述支座上，另一端通过轻质非金属双头旋紧螺栓与所述牵引索的第一端连接。
进一步地，所述金属试件为金属丝。
进一步地，所述按钮式电子计时器的顶面还铺设有防震海绵。
进一步地，所述支座、第一定滑轮、第二定滑轮和液槽均采用非金属构件。
进一步地，所述牵引索采用高强度纤维线。
进一步地，所述液槽内可设置复数组平行的张紧装置，复数组平行的张紧装置中可安装任意物理性质的金属试件，用以进行不同金属腐蚀及腐蚀速率的辨识。
上述金属腐蚀的辨识装置的辨识方法，包括如下步骤：
步骤一：设置液槽，在液槽内设置支座、第一定滑轮，将第二定滑轮固定在第一定滑轮一侧液槽侧壁的上端；
步骤二：将金属试件的一端固定在支座上，另一端与牵引索的第一端连接；将牵引索先后绕过第一定滑轮和第二定滑轮，牵引索的第二端位于液槽的外侧，牵引索的第二端悬挂所述的砝码，将振动电机固定在砝码上；
步骤三：设置振动电机振动频率，振动电机与砝码共同产生低频的交变拉力；其中，通过牵引索的第二端上的圆环下挂重为δg的砝码和重为g1的振动电机，改变了振动电机的振动频率θ；
步骤四：向液槽内注入需要研究的腐蚀溶液即可进行腐蚀试验；同时，将布置在砝码垂直下方的按钮式电子计时器归零，作为试验起始点；
步骤五：目测腐蚀溶液中金属试件初始锈斑，记录此刻按钮式电子计时器显示时间ts；
步骤六：金属试件继续腐蚀，当金属试件腐蚀断裂时，圆环下端悬挂的砝码和振动电机垂直落到按钮式电子计时器按钮上，记录断裂时间tr；其中按钮式电子计时器顶面铺有防震海绵；
当金属试件腐蚀断裂时，
式中，[σ]是金属试件的抗拉强度，而
f＝β·g(2)
是振动频率为θ的交变拉力的最大值，其中
g＝g1+δg(3)
为振动电机重量g1和砝码重量δg之和；其中，振动电机粘贴在挂砣的底面，总重量可以通过挂砣上增减砝码δg而相应改变，而
为动力系数，其中ω为金属试件和牵引索与重量g组成的单自由度系统的固有频率，通过实测得到或按结构力学理论计算，辨识装置中金属试件与牵引索之间是串联结构，可按下式计算：
式中，e1，e2分别为金属试件和牵引索杨氏模量，a1，a2分别为金属试件和牵引索截面面积，l1，l2分别为金属试件和牵引索水平长度，g＝9.80665m/s2为重力加速度。
金属试件腐蚀速率v通过下式得到：
式中a0为金属试件截面积，a1为金属试件断裂时截面积，ts为金属试件初始锈斑时刻，tr为金属试件断裂时间；
步骤七：液槽中复数组的平行张拉装置按照上述步骤，可同时进行多种工况试验。
相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：
本发明结构简单，通过固定在砝码上的振动电机对放置在液槽中的金属试件施加交变应力，并且定量的砝码及振动电机可以精确的控制金属试件交变应力，能够辨识交变应力下的金属材料腐蚀，及交变应力下的金属材料腐蚀速率。特别是，该装置相对申请号为cn201410151891.0中的辨识装置-弓形装置而言，首先，由静力作用拓展至交变拉力，金属受力工况更多，研究腐蚀工况更多；其次，拉力可控性好，施加定量的砝码及振动电机，能精确确定金属所受的拉力；第三，该装置根据砝码及电机状态可以清晰的辨识金属的起锈，并且该装置能够巧妙的记录金属腐蚀试验断裂时间，辨识金属的腐蚀速率；第四，复数组平行装置中，可高效简便的安装各种物理性质的金属材料，包括任意力学性能、任意截面尺寸等，且试验相互不干扰。
附图说明
图1为本发明金属腐蚀的辨识装置结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
金属腐蚀的辨识装置，包括金属试件1、计时器10、张紧装置和液槽2，金属试件1为金属丝。张紧装置又包括支座3、第一定滑轮11、第二定滑轮4、牵引索5、砝码和振动电机6。支座3固定在液槽2内下部的一侧，第一定滑轮11固定在液槽2内下部的另一侧，第二定滑轮4固定在第一定滑轮11一侧液槽2侧壁的上端。金属试件1的一端通过非金属紧固螺栓14固定在所述支座3上，另一端通过轻质非金属双头旋紧螺栓12与所述牵引索5的第一端连接。牵引索5先后绕过第一定滑轮11和第二定滑轮4，牵引索5的第二端位于液槽2的外侧，牵引索5的第二端悬挂所述的砝码，振动电机6固定在砝码上，振动电机6可以设置成任意振动频率。砝码包括增砣7和砣挂8，砣挂8悬挂在所述牵引索5的第二端，振动电机6粘贴在砣挂8的底面。牵引索5的第二端上面系有一个圆环17，所述圆环17上悬挂所述增砣7和砣挂8。计时器10是按钮式电子计时器，按钮式电子计时器布置在振动电机6正下方。按钮式电子计时器的顶面还铺设有防震海绵9。
其中，支座3、第一定滑轮11、第二定滑轮4和液槽2均采用非金属构件，并且第一定滑轮11、第二定滑轮4直径较小，表面光滑，减少与牵引索5接触的摩擦。牵引索5采用高强度纤维线。同时，液槽2内可设置复数组平行的张紧装置，复数组平行的张紧装置中可安装任意物理性质的金属试件1，包括力学性能任意，截面尺寸任意等，用以进行不同金属腐蚀的辨识。
上述金属腐蚀的辨识装置的辨识方法，包括如下步骤：
步骤一：设置液槽2，在液槽2内设置支座3、第一定滑轮11，将第二定滑轮4固定在第一定滑轮11一侧液槽侧壁的上端；
步骤二：将金属试件1的一端固定在支座3上，另一端与牵引索5的第一端连接；将牵引索5先后绕过第一定滑轮11和第二定滑轮4，牵引索5的第二端位于液槽2的外侧，牵引索5的第二端悬挂所述的砝码，将振动电机6固定在砝码上；
步骤三：设置振动电机6振动频率，振动电机6与砝码共同产生低频的交变拉力；其中，通过牵引索5的第二端上的圆环17下挂重为δg的砝码和重为g1的振动电机6，改变了振动电机6的振动频率θ；
步骤四：向液槽3内注入需要研究的腐蚀溶液即可进行腐蚀试验；同时，将布置在砝码垂直下方的按钮式电子计时器10归零，作为试验起始点；
步骤五：目测腐蚀溶液中金属试件1初始锈斑，记录此刻按钮式电子计时器显示时间ts；
步骤六：金属试件1继续腐蚀，当金属试件1腐蚀断裂时，圆环17下端悬挂的砝码和振动电机6垂直落到按钮式电子计时器按钮上，记录断裂时间tr；其中按钮式电子计时器顶面铺有防震海绵9；
当金属试件1腐蚀断裂时，
式中，[σ]是金属试件的抗拉强度，而
f＝β·g(2)
是振动频率为θ的交变拉力的最大值，其中
g＝g1+δg(3)
为振动电机6重量g1和砝码重量δg之和；其中，振动电机6粘贴在挂砣8的底面，总重量可以通过挂砣8上增减砝码δg而相应改变，而
为动力系数，其中ω为金属试件1和牵引索5与重量g组成的单自由度系统的固有频率，通过实测得到或按结构力学理论计算，辨识装置中金属试件1与牵引索5之间是串联结构，可按下式计算：
式中，e1，e2分别为金属试件1和牵引索5杨氏模量，a1，a2分别为金属试件1和牵引索5截面面积，l1，l2分别为金属试件1和牵引索5水平长度，g＝9.80665m/s2为重力加速度。
金属试件1腐蚀速率v通过下式得到：
式中a0为金属试件1截面积，a1为金属试件1断裂时截面积，ts为金属试件1初始锈斑时刻，tr为金属试件1断裂时间；
步骤七：液槽2中复数组的平行张拉装置按照上述步骤，可同时进行多种工况试验。
本发明以上实施例为本发明金属腐蚀的辨识装置结构和操作简单，测试效率高，能够辨识金属在交变应力作用下的腐蚀及交变应力下金属腐蚀速率。上述装置还可以研究交变应力下的钝化效应课题。
上述实施例只是为了更清楚说明本发明的技术方案做出的列举，并非对本发明的限定，本领域的普通技术人员根据本领域的公知常识对本申请所述技术方案的变通亦均在本申请保护范围之内，总之，上述实施例仅为列举，本申请的保护范围以所附权利要求书所述范围为准。