CN101598660B - 一种恒温扭动腐蚀磨损试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种恒温扭动腐蚀磨损试验装置及其试验方法，试验装置的下夹具的周沿设有高出球试件的介质腔，腔内盛有试验介质；腔壁为夹层结构，夹层下部设有入水口、上部设有出水口，入水口通过微型水泵与恒温水浴锅相连，出水口则直接与恒温水浴锅相连，形成恒温循环水系统；辅助电极、参比电极浸入介质腔的试验介质中；辅助电极、参比电极及上试件上端面分别通过导线与微机控制的电化学工作站的相应端口连接，形成电化学腐蚀测量系统。该试验装置及其方法能方便地使材料在恒温试验介质中发生扭动腐蚀磨损，从而更真实准确的测试出特定腐蚀介质下材料的扭动腐蚀磨损性能；为相关设计提供更准确、更可靠的试验依据，以提高装备与器械的性能与寿命。

Description

一种恒温扭动腐蚀磨损试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于磨损与腐蚀技术领域，尤其属于一种腐蚀磨损试验装置及其试验方法。

背景技术

材料或设备损伤与失效的三种主要方式为磨损、腐蚀与疲劳。磨损是在接触副之间由于相对摩擦运动而造成的材料损失与尺寸变化等破坏；腐蚀则是材料或设备在周围腐蚀性介质(最常见的是液体和气体)作用下，由于发生化学变化、电化学变化或物理溶解等而产生的破坏；而疲劳是在交变载荷作用下产生裂纹直至断裂的一种破坏形式。由于大多数材料或设备都工作在一定的腐蚀性介质中，在发生磨损与疲劳的过程中存在腐蚀现象，此时的磨损与疲劳分别可称为腐蚀磨损(或腐蚀磨损)与腐蚀疲劳，同时磨损与疲劳也存在一定的竞争关系。因此，三种破坏形式虽然产生的条件、原因和损伤机理都不相同，但往往不是单独作用，而是两种甚至三种同时作用，相互促进，造成材料和设备的严重损伤与失效，甚至造成一些灾难性的事故。

按球/平面接触模型，摩擦磨损可分为切向、径向、滚动和扭动等四种基本运动方式。其中滚动与扭动均为对磨副在法向载荷的作用下，在接触面上做的旋转运动，不同之处在于：滚动运动的旋转轴与接触平面平行，如车轮与地面的摩擦；扭动运动的旋转轴与接触面垂直，如髋关节与髋关节盘的摩擦。

扭动是在一定载荷下接触副发生往复扭动的一种摩擦运动方式，大量存在于机械装备与器械中，例如人体植入器械中的人工心脏瓣膜的阀门轴与轴座之间、髋关节和膝关节杵臼状接触区内发生的摩擦运动，日常生活与工业生产中大量使用的各种阀门等都存在扭动摩擦运动，而且大多扭动实例都工作在一定的腐蚀性介质(特别是液体介质)中，从而发生扭动腐蚀磨损，造成设备与器械的损伤失效(如阀门咬合、松动、噪声增加或形成污染源等)。由于扭动的人工模拟与再现控制困难，扭动的相关研究工作一直以来开展较少，而在腐蚀性液体介质中的扭动腐蚀磨损的研究还未见报道。研发扭动腐蚀磨损试验的新方法及其装置，进而对扭动腐蚀磨损现象进行深入研究，对于丰富和发展摩擦学与腐蚀学相关理论具有重要的学术与理论价值，对减少工程中出现的扭动腐蚀磨损问题，改进机械设备与生物工程的相关设计，提高装备与器械的性能与寿命、节约能源等具有十分重要的现实意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种恒温扭动腐蚀磨损试验装置，该试验装置能方便地使材料在恒温试验介质中发生扭动腐蚀磨损，实现扭动摩擦动力学和电化学腐蚀数据的同步采集，从而更真实准确的测试出特定腐蚀介质下，材料的扭动腐蚀磨损性能；为机械与生物工程的相关设计提供更准确、更可靠的依据；以提高装备与器械的性能与寿命。且自动化程度高，控制与测试的精度高，试验数据的重现性好。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种恒温扭动腐蚀磨损试验装置，包括多功能摩擦磨损试验机，多功能摩擦磨损试验机的顶板下方安装的二维移动台，二维移动台下方通过六维力/力矩传感器连接有夹持上试件的上夹具；多功能摩擦磨损试验机的底座上安装有高精低速的转动台-，转动台上安装有夹持球试件的下夹具；高精低速转动台、二维移动台、六维力/力矩传感器均与数据采集控制系统电连接，其结构特点是：

下夹具的周沿设有高出球试件的介质腔，介质腔内盛装能将球形试件完全淹没的试验介质。

下夹具的介质腔的腔壁为夹层结构，腔壁的夹层下部设有入水口、上部设有出水口，入水口-通过微型水泵与恒温水浴锅相连，而出水口则直接与恒温水浴锅相连，形成恒温循环水系统；

辅助电极、参比电极浸入介质腔的试验介质中，且使参比电极的尖端距上试件的下端面1-～3mm；辅助电极、参比电极及上试件上端面分别通过导线与微机控制的电化学工作站的相应端口连接，形成电化学腐蚀测量系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、由于下夹具设计成包含介质腔的容器式结构，介质腔可盛装能将球形试件淹没的不同的腐蚀性介质，从而使材料在各种介质中的扭动腐蚀磨损得以实现。

二、由于下夹具的介质腔壁设计成夹层结构，夹层通过微型水泵循环泵入来自恒温水浴锅的恒温水，对下夹具内的介质进行加热与保温，实现恒温扭动腐蚀磨损试验。

三、与上夹具相连的六维力/力矩传感器可测出扭动过程中的摩擦扭矩等数据，从而准确表征扭动的摩擦动力学特性。

四、由辅助电极、参比电极、工作电极(上试样)以及微机控制的电化学工作站构成的电化学腐蚀测量系统，可测量扭动腐蚀磨损试验过程中上试件的开路电位、极化曲线、交流阻抗等电化学腐蚀数据，以研究其电化学腐蚀行为。

总之，该试验试验装置能方便地使材料在恒温的试验介质中发生扭动腐蚀磨损，同步采集摩擦扭矩等摩擦动力学数据和腐蚀电化学相关数据，从而更真实准确的测试出恒温腐蚀介质下，材料的扭动腐蚀磨损性能；为机械与生物工程的相关设计提供更准确、更可靠的依据；以提高装备与器械的性能与寿命。该装置由数据采集控制系统控制给定测试参数，并自动采集试验数据，自动化程度高，控制与测试的精度高，试验数据的重现性好。

上述的参比电极为饱和甘汞电极，参比电极的尖端为饱和甘汞电极的盐桥的鲁金毛细管尖端。饱和甘汞电极为常用电化学腐蚀试验参比电极，其性能可靠、电位稳定、干扰小，可保证本试验装置测出的电化学腐蚀数据结果更准确、可靠。

上述的电化学工作站的恒电位范围为-12-～-+12V，恒电流范围-250-～+250mA，电流测量分辨率为10pA，电位测量分辨率为0.01mV，方波频率为1mHz～100kHz，正弦波频率为0.-1mHz～100kHz，电位扫描速度范围为0.01mV/s～5000V/s。该工作站测量范围宽、分辨率高、性能稳定，

可保证本试验装置测出的电化学腐蚀数据结果更准确、可靠。

上述的恒温水浴锅的恒温范围为室温～100℃，恒温精度±0.5℃。它可使试验介质恒温于室温～90℃，能模拟大多数腐蚀介质的恒温条件，实现室温～90℃下的恒温腐蚀介质中的扭动腐蚀磨损试验。

本发明的第二个目的是提供一种使用上述恒温扭动腐蚀磨损试验装置进行恒温扭动腐蚀磨损的试验方法。

本发明实现第二个发明目的，所采用的技术方案是：一种使用上述恒温扭动腐蚀磨损试验装置进行恒温扭动腐蚀磨损的试验方法，其作法是：

a、上试件的安装

用封样材料将圆柱形的上试样的上端面与侧面封闭，仅露出圆形下端面作为试验工作表面，封样后形成长方体形的上试件，将上试件的上端夹持在上夹具上；

b、恒温状态的进入与保持

开启恒温水浴锅，使其水温升至设定的恒温值，开启微型水泵，将恒温水循环输送至介质腔壁的夹层中，使介质腔内的试验介质保持恒温状态。；

c、扭动腐蚀磨损试验

通过数据采集控制系统控制上夹具的上下移动，使上试件与下夹具上已夹持好的球试件接触并施加设定的载荷P，同时通过数据采集控制系统的控制使下夹具及其夹持的球试件以设定的转速、转角和往复次数进行往复旋转，在试验介质中实现上试件与球试件间的扭动腐蚀磨损过程；

d、摩擦动力学试验数据的采集

在进行c步扭动腐蚀磨损试验的同时，与上夹具相连的六维力/力矩传感器测出横向、纵向、垂向三个方向的力F_x、F_y、F_z和三个轴向的力矩T_x、T_y、T_z，其中T_z即为摩擦扭矩T_f；并与转动台的转速、角位移等数据一起送至数据采集控制系统，再用数据采集控制系统分析得出表征扭动腐蚀磨损过程中的摩擦动力学特性试验结果；

e、腐蚀电化学数据的采集

在进行c步的扭动腐蚀磨损试验的同时，还通过电化学测量系统测量上试样的腐蚀电化学数据，用以研究扭动腐蚀磨损过程中的电化学腐蚀行为。

该试验方法能方便地使材料在的恒温试验介质中发生扭动腐蚀磨损，同步采集摩擦扭矩等摩擦动力学数据和腐蚀电化学相关数据，从而更真实准确的测试出恒温腐蚀介质下，材料的扭动腐蚀磨损性能。且其自动化程度高，控制与测试的精度高，试验数据的重现性好。

上述d步中用数据采集控制系统分析得出表征扭动腐蚀磨损过程中的摩擦动力学特性试验结果有：扭动过程中的摩擦扭矩-角位移曲线、摩擦扭矩-循环次数曲线以及摩擦扭矩-角位移-循环次数三维图。摩擦扭矩是扭动过程中摩擦力对扭动轴的力矩，是扭动动力学分析最重要的基础数据，由此得到的摩擦扭矩-角位移曲线、摩擦扭矩-循环次数曲线以及摩擦扭矩-角位移-循环次数三维图是扭动动力学研究的主要数据，可分析在扭动过程中的材料响应、弹塑性行为，结合磨损形貌得出材料的磨损机理。

上述e步中电化学测量系统测量的上试样腐蚀电化学数据包括电位-时间曲线、电流-时间曲线、极化曲线、交流阻抗。这些数据可进一步分析上试样的电化学腐蚀趋向、腐蚀速度及其表面腐蚀双电层结构，全面分析研究上试样的腐蚀机理。

结合d步和e步得到的数据，可进一步分析在扭动过程中磨损与腐蚀的交互作用，从而得到恒温腐蚀介质下，材料的扭动腐蚀磨损性能及其机理，为机械与生物工程的相关设计提供更准确、更可靠的依据；以提高装备与器械的性能与寿命。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明实施例的试验装置的局部剖视结构示意图。

图2a是用本发明实施例的试验装置及方法对一具体试验体系进行试验得到的摩擦扭矩(Friciton torque，单位为N.mm)-角位移(Tortioanal angle，单位为°)-循环次数(Number of cycles)三维图。

试验的上试件为φ10×20mm的人工关节用Ti6Al4V合金，封样后外观尺寸为15×15×25mm；下试件为φ28.575mm的ZrO₂陶瓷球，试验介质为生理盐水，温度37±0.5℃。扭动试验主要参数为：法向载荷F_n＝80N，频率f＝0.5Hz，循环次数N＝5000次，往复扭动角度幅值θ＝±0.3°。

图2b是用图2a相同的试验装置、试件材料，其试验参数也基本相同，仅仅是扭动角度幅值θ改为3°进行试验得到的摩擦扭矩(Friciton torque，单位为N.mm)-角位移(Tortioanal angle单位为°)-循环次数(Number of cycles)三维图。

图3a是图2a试验过程中测得的上试件的腐蚀电位(Corrosion potential)-循环次数(Number of cycles)变化曲线。

图3b是图2b试验过程中测得的上试件的腐蚀电位(Corrosion potential)-循环次数(Number of cycles)变化曲线。

图4a是图2a的上试件试验后的损伤形貌图。

图4b是图2b的上试件试验后的损伤形貌图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种恒温扭动腐蚀磨损试验装置，包括多功能摩擦磨损试验机1，多功能摩擦磨损试验机1的顶板下方安装的二维移动台2，二维移动台2下方通过六维力/力矩传感器13连接有夹持上试件6的上夹具15；多功能摩擦磨损试验机1的底座24上安装有高精低速的转动台12，转动台10上安装有夹持球试件8的下夹具19；高精低速转动台12、二维移动台2、六维力/力矩传感器13均与数据采集控制系统电连接。

下夹具19的周沿设有高出球试件8的介质腔34，介质腔34内盛有将球形试件8完全淹没的试验介质。介质腔34与下夹具19的周沿为一体化结构或以焊接方式形成。

下夹具19的介质腔34的腔壁为夹层结构，腔壁的夹层34a下部设有入水口31、上部设有出水口35，入水口31通过微型水泵26与恒温水浴锅23相连，而出水口35则直接与恒温水浴锅23相连，形成恒温循环水系统。恒温循环水系统中连接微型水泵26、恒温水浴锅23、出水口35，入水口31之间的管道27采用软管。

辅助电极5、参比电极18浸入介质腔34的试验介质中，且使参比电极18的尖端18a距上试件的下端面1-～3mm；辅助电极、参比电极及上试件上端面分别通过导线与微机控制的电化学工作站的相应端口连接，形成电化学腐蚀测量系统。

本例中参比电极18为饱和甘汞电极，参比电极18的尖端为饱和甘汞电极的盐桥18a的鲁金毛细管尖端。

本例的电化学工作站的恒电位范围为-12-～-+12V，恒电流范围-250-～+250mA，电流测量分辨率为10pA，电位测量分辨率为0.01mV，方波频率为1mHz～100kHz，正弦波频率为0.-1mHz～100kHz，电位扫描速度范围为0.01mV/s～5000V/s。

本例的恒温水浴锅23的恒温范围为室温～100℃，恒温精度±0.5℃。可使介质腔内试验介质的温度恒定在室温～90℃。

采用本例的恒温扭动腐蚀磨损试验装置进行恒温扭动腐蚀磨损的试验方法，其作法是：

a、上试件的安装

用封样材料将圆柱形的上试样6a的上端面与侧面封闭，仅露出圆形下端面作为试验工作表面，封样后形成长方体形的上试件6，将上试件6的上端通过螺钉51夹持在上夹具15上；其中的封样材料可选用环氧树脂、透明金相镶嵌料等；

b、恒温状态的进入与保持

开启恒温水浴锅23，使其水温升至设定的恒温值，开启微型水泵26，将恒温水循环输送至介质腔34壁的夹层34a中，使介质腔34内的试验介质保持恒温状态；

c、扭动腐蚀磨损试验

通过数据采集控制系统控制上夹具15的上下移动，使上试件6与下夹具19上已夹持好的球试件8接触并施加设定的载荷P，同时通过数据采集控制系统的控制使下夹具19及其夹持的球试件8以设定的转速、转角和往复次数进行往复旋转，在试验介质中实现上试件与球试件间的扭动腐蚀磨损过程；

d、摩擦动力学试验数据的采集

在进行c步扭动腐蚀磨损试验的同时，与上夹具15相连的六维力/力矩传感器13测出横向x、纵向y、垂向z三个方向的力F_x、F_y、F_z和绕三个轴向即横轴x、纵轴y、垂轴z旋转的力矩T_x、T_y、T_z，其中T_z即为摩擦扭矩；并与转动台的转速、角位移等数据一起送至数据采集控制系统，再用数据采集控制系统分析得出表征扭动腐蚀磨损过程中的摩擦动力学特性试验结果；

e、腐蚀电化学数据的采集

在进行c步的扭动腐蚀磨损试验的同时，还通过电化学测量系统测量上试样的腐蚀电化学数据，用以研究扭动腐蚀磨损过程中的电化学腐蚀行为。

本例方法在d步中用数据采集控制系统分析得出表征扭动腐蚀磨损过程中的摩擦动力学特性试验结果有：扭动过程中的摩擦扭矩-角位移曲线、摩擦扭矩-循环次数曲线以及扭矩-角位移-循环次数三维图。

本例方法在e步中电化学测量系统测量的上试样腐蚀电化学数据包括电位-时间曲线、电流-时间曲线、极化曲线、交流阻抗。

采用以上本例的装置及其试验方法进行的两次具体试验的结果如下：

试验材料为：上试件为φ10×20mm的人工关节用Ti6Al4V合金，采用本发明所述封样方法进行封样，封样后外观尺寸为15×15×25mm；下试件为φ28.575mm的ZrO₂陶瓷球，试验介质为生理盐水，温度37±0.5℃。扭动试验主要参数为：法向载荷F_n＝80N，频率f＝0.5Hz，循环次数N＝5000次，往复扭动角度幅值θ＝±0.3°。两个试验仅仅是扭动角度幅值θ不同，第一个试验的θ为0.3°，第二个试验的θ为3°。

图2a为第一个(小角度，θ＝0.3°)试验得到的Ti6Al4V在37±0.5℃的生理盐水中扭动腐蚀磨损条件下的摩擦扭矩-角位移-循环次数(T_f-θ-N)三维图。从图2a可看出在0～5000次循环中，T_f-θ曲线均呈直线状。-

图3a为以上第一个试验(小角度)过程中测得的上试件的腐蚀电位-循环次数(时间)变化曲线。可以看出，在小角度时，扭动前后及扭动过程中试样腐蚀电位基本不变，说明其腐蚀趋向基本不变。

图4a为以上第一个试验后的Ti6Al4V试样的损伤形貌。该图表明在小角度下时，上试件的磨痕出现典型的微动环特征，即中心粘着、损伤轻微；外侧发生微滑即相对滑移，磨损较严重，说明发生了部分滑移，结合图3a的直线形T_f-θ-N三维图，可认为该试验处于微动的部分滑移区。-

图2b为第二个(大角度，θ＝3°)试验得到的T_f-θ曲线呈椭圆状的T_f-θ-N三维图。

图3b为以上第二个试验(大角度)过程中测得的上试件的腐蚀电位-循环次数(时间)变化曲线。可以看出，在大角度下，扭动后，腐蚀电位迅速负移，且不稳定，随后逐渐正移并趋于相对稳定，稳定值仍低于扭动前，在试验后期，腐蚀电位逐渐负移，说明在大角度下，腐蚀趋向明显增大，且随扭动试验的进行有所变化。

图4b为以上第二个试验后的Ti6Al4V试样的损伤形貌。从图中看出，接触区产生完全滑移，所有接触区域均损伤严重，同时可见较明显的腐蚀痕迹，这也与图4b的判定一致。

Claims (7)

1.一种恒温扭动腐蚀磨损试验装置，包括多功能摩擦磨损试验机(1)，多功能摩擦磨损试验机(1)的顶板下方安装的二维移动台(2)，二维移动台(2)下方通过六维力/力矩传感器(13)连接有夹持上试件(6)的上夹具(15)；多功能摩擦磨损试验机(1)的底座(24)上安装有高精低速的转动台(12)，转动台(12)上安装有夹持球试件(8)的下夹具(19)；高精低速转动台(12)、二维移动台(2)、六维力/力矩传感器(13)均与数据采集控制系统电连接，其特征在于：

所述的下夹具(19)的周沿设有高出球试件(8)的介质腔(34)，介质腔(34)内盛有将球试件(8)完全淹没的试验介质；

下夹具(19)的介质腔(34)的腔壁为夹层结构，腔壁的夹层(34a)下部设有入水口(31)、上部设有出水口(35)，入水口(31)通过微型水泵(26)与恒温水浴锅(23)相连，而出水口(35)则直接与恒温水浴锅(23)相连，形成恒温循环水系统；

辅助电极(5)、参比电极(18)浸入介质腔(34)的试验介质中，且使参比电极(18)的尖端距上试件(6)的下端面1-3mm；辅助电极(5)、参比电极(18)及上试件(6)的上端面分别通过导线与微机控制的电化学工作站的相应端口连接，形成电化学腐蚀测量系统。

2.根据权利要求1所述的一种恒温扭动腐蚀磨损试验装置，其特征在于：所述的参比电极(18)为饱和甘汞电极，参比电极(18)的尖端为饱和甘汞电极的盐桥(18a)的鲁金毛细管尖端。

3.根据权利要求1所述的一种试验装置，其特征在于：所述的电化学工作站的恒电位范围为-12～+12V，恒电流范围-250～+250mA，电流测量分辨率为10pA，电位测量分辨率为0.01mV，方波频率为1mHz～100kHz，正弦波频率为0.1mHz～100kHz，电位扫描速度范围为0.01mV/s～5000V/s。

4.根据权利要求1所述的一种试验装置，其特征在于：所述的恒温水浴锅(23)的恒温范围为室温～100℃，恒温精度±0.5℃。

5.一种使用权利要求1所述的试验装置进行恒温扭动腐蚀磨损的试验方法，其作法是：

a、上试件的安装

用封样材料将圆柱形的上试样(6a)的上端面与侧面封闭，仅露出圆形下端面作为试验工作表面，封样后形成长方体形的上试件(6)，将上试件(6)的上端夹持在上夹具(15)上；

b、恒温状态的进入与保持

开启恒温水浴锅(23)，使其水温升至设定的恒温值，开启微型水泵(26)，将恒温水循环输送至介质腔(34)壁的夹层(34a)中，使介质腔(34)内的试验介质保持恒温状态；

c、扭动腐蚀磨损试验

通过数据采集控制系统控制上夹具(15)的上下移动，使上试件(6)与下夹具(19)上已夹持好的球试件(8)接触并施加设定的载荷P，同时通过数据采集控制系统的控制使下夹具(19)及其夹持的球试件(8)以设定的转速、转角和往复次数进行往复旋转，在试验介质中实现上试件与球试件间的扭动腐蚀磨损过程；

d、摩擦动力学试验数据的采集

在进行c步扭动腐蚀磨损试验的同时，与上夹具(15)相连的六维力/力矩传感器(13)测出横向、纵向、垂向三个方向的力F_x、F_y、F_z和三个轴向的力矩T_x、T_y、T_z，其中T_z即为摩擦扭矩；并与转动台的转速、角位移等数据一起送至数据采集控制系统，再用数据采集控制系统分析得出表征扭动腐蚀磨损过程中的摩擦动力学特性的试验结果；

e、腐蚀电化学数据的采集

在进行c步的扭动腐蚀磨损试验的同时，还通过电化学腐蚀测量系统测量上试样的腐蚀电化学数据，用以研究扭动腐蚀磨损过程中的电化学腐蚀行为。

6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：所述d步中用数据采集控制系统分析得出表征扭动腐蚀磨损过程中的摩擦动力学特性的试验结果有：扭动过程中的摩擦扭矩-角位移曲线、摩擦扭矩-循环次数曲线以及扭矩-角位移-循环次数三维图。

7.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：所述e步中电化学腐蚀测量系统测量的上试样腐蚀电化学数据包括电位-时间曲线、电流-时间曲线、极化曲线、交流阻抗。

Images