CN103472101B - 一种疲劳损伤电化学检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种疲劳损伤电化学检测装置，包括腐蚀电位检测传感器、腐蚀电位检测仪和数据采集机记录系统，腐蚀电位检测传感器包括传感器主体、一个参比电极和若干个检测电极以及用于存储电解液的多孔材料；参比电极和检测电极的尾端与传感器主体之间设有压力弹簧，多孔材料设置在检测电极的前端，多孔材料中充满电解液。同时，本发明还公开了疲劳损伤电化学检测方法。本发明首次以电化学腐蚀电位(V)变化程度作为评定疲劳寿命特征参量，通过试验研究确定不同类型金属材料的电化学腐蚀电位(V)与疲劳寿命(N)之间的函数关系，通过本发明提出的试验装置检测某时刻腐蚀电位变化与特征曲线比较，定量判断疲劳损伤的发展程度。
Description
技术领域
本发明属于一种用于金属材料疲劳损伤及缺陷检测与寿命评估领域，具体是针对在疲劳载荷作用下金属材料及废旧工程机械产品，采用电化学原理方法进行局部疲劳损伤检测与寿命评估。
背景技术
疲劳断裂是指材料、零件或构件在交变载荷作用下，材料表面局部出现塑性累积损伤、形成微裂纹及裂纹逐渐扩展导致最终破坏的一种失效现象。动载荷作用下金属材料的疲劳断裂是构件破坏的主要失效形式之一。据统计，工程机械零部件60％-90％以上的失效都是疲劳断裂引起的。
疲劳断裂理论认为金属材料的疲劳过程失效主要分为三个阶段：疲劳损伤积累及裂纹萌生阶段、疲劳裂纹扩展阶段和快速扩展断裂。其中疲劳损伤积累到形成可以检测的微裂纹阶段属于疲劳裂纹萌生阶段，占整个疲劳寿命的90％以上。研究和开发金属材料的疲劳损伤有效检测和评估方法是工程界普遍关注和迫切需要解决的重要课题。
疲劳损伤的检测与评估主要有两类研究内容：一是疲劳损伤及过程的检测技术；二是针对再制造工程中废旧工程机械产品的疲劳损伤检测与评估技术，即在未知工程机械产品的使用工况下，如何开发一种检测方法评估已使用过产品材料的疲劳损伤程度，这对再制造工程中废旧产品毛坯的剩余寿命和再制造性评估具有极为重要意义。
目前已开发了许多金属材料的疲劳损伤与缺陷检测与评估方法，如疲劳传感器法、密度法、超声波法、电阻法、红外热成像法和磁记忆法等。疲劳传感器法采用疲劳计粘贴于可能发生疲劳破坏的局部位置，通过疲劳计的损伤过程监测和记录构件疲劳损伤发展过程与程度，该方法已在工程结构的疲劳破坏的诊断与评估中获得应用，但不能用于废旧工程机械产品的疲劳损伤评定。超声法是工业上常用的缺陷监测和评估技术，但该方法主要用于检测疲劳损伤后期形成宏观微裂纹阶段，对于裂纹形成初期的疲劳损伤过程与程度分辨能力很低，因此很难用于疲劳累积损伤的检测。
目前金属磁记忆法是用金属材料与废旧工程机械零部件疲劳损伤检测与评估的一种可行方法，但由于设备成本高、加载工况及材料类型等各种复杂因素影响，该方法目前还处于实验室机理研究的初步阶段。
发明内容
本发明针对金属材料、构件及废旧工程机械产品基于电化学腐蚀原理提出一种疲劳损伤电化学检测装置及方法，首次将电化学腐蚀电位变化与疲劳损伤结合起来，通过检测电化学腐蚀电位变化从而实现对金属材料及构件局部疲劳损伤检测与寿命评估。本发明首次以电化学腐蚀电位(V)变化程度作为评定疲劳寿命特征参量，通过试验研究确定不同类型金属材料的电化学腐蚀电位(V)与疲劳寿命(N)之间的函数关系，通过本发明提出的试验装置检测某时刻腐蚀电位变化与特征曲线比较，定量判断疲劳损伤的发展程度。
为了解决上述技术问题，本发明一种疲劳损伤电化学检测装置，包括腐蚀电位检测传感器、腐蚀电位检测仪和数据采集机记录系统，所述腐蚀电位检测传感器包括传感器主体、一个参比电极和若干个检测电极以及用于存储电解液的多孔材料；所述参比电极为石墨材料，所述检测电极为紫铜丝，所述参比电极和检测电极的尾端与传感器主体之间设有压力弹簧，所述多孔材料设置在所述检测电极的前端，所述多孔材料中充满电解液。
本发明疲劳损伤电化学检测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过标准疲劳试验获得各类被检测金属材料的电化学腐蚀电位与疲劳寿命特征曲线，通过数据处理，去除所得曲线中的干扰与波动，得到标准电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N特征曲线，并作为材料性能存储在疲劳损伤评定数据库中；
步骤二、将上述疲劳损伤电化学检测装置中的检测电极的前端与被检测疲劳金属构件待测区域的表面接触，实时检测被检测疲劳金属构件待测区域，并且记录被检测疲劳金属构件的实际腐蚀电位与时间的关系数据；
步骤三、根据步骤二实时检测所得被检测疲劳金属构件的电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N曲线与疲劳损伤评定数据库中的标准电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N特征曲线进行比对，得出被检测疲劳金属构件的疲劳损伤发展状况，并以此为依据对被检测疲劳金属构件的疲劳寿命作出评定。
进一步讲，所述被检测疲劳金属构件为废旧金属零部件，实时检测过程中将腐蚀电位传感器在废旧金属零部件的表面上移动，将废旧金属零部件不同部位表面的电化学腐蚀电位与疲劳损伤评定数据库中的标准电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N特征曲线比对，得出该废旧金属零部件不同部位的疲劳损伤程度，以此为依据对该废旧金属零部件的疲劳寿命作出评定。
本发明中涉及到的被检测疲劳金属构件不只为废旧零件，即被检测疲劳金属构件有两类：1.一类是新的金属构件，记录它的实际腐蚀电位与时间的关系，据此监控此构件的疲劳损伤发展情况；2.另一类为废旧金属零部件，检测它的腐蚀电位，并与标准V-N特征曲线对比，可以得到些废旧零件不同部位的疲劳损伤程度。
与目前现有的疲劳损伤检测方法比较，该方法具有以下明显特征：
1、本发明检测方法即可用于各种交变载荷下构件的疲劳损伤检测，也可用于废旧工程机械产品的疲劳损伤检测与寿命评估，为再制造毛坯寿命评估提供基础。
2、本发明检测方法检测装置成本低、检测过程稳定、操作简单、能耗低及易于实现自动化评估，结构简单可靠，使用寿命长，可实现对复杂结构疲劳损伤过程及程度的长期检测及疲劳损伤检测与寿命评估。
3、与现有的技术相比，本发明的另一个重要的有益效果是本技术方法灵敏度高，在构件待测部位疲劳裂纹萌生的初期即可检测到。除此之外本发明所涉及的疲劳损伤电化学检测方法应用前景广阔，具有良好的技术转化基础。
附图说明
图1是金属材料典型电化学腐蚀电位(V)与疲劳寿命(N)的特征曲线；其中Vo为电化学腐蚀参考电位；No为疲劳损伤孕育寿命；Nd为疲劳裂纹萌生寿命；Nf为整个疲劳寿命及疲劳断裂寿命；
图2是本发明疲劳损伤电化学检测方法示意图；
图3-1是本发明中腐蚀电位检测传感器结构立体图；
图3-2是图3-1所示腐蚀电位检测传感器结构端向图；
图4是腐蚀电位检测传感器与是被检测疲劳金属构件相互位置示意图；
图5是本发明实施例中材质为42CrMo钢的被检测疲劳金属构件的V-N特征曲线。
图中：1-腐蚀电位检测传感器，2-被检测疲劳金属构件，3-连线，4-腐蚀电位检测仪，5-数据采集及记录系统，11-检测电极，12-参比电极，13-传感器主体。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图2所示，本发明一种疲劳损伤电化学检测装置，包括腐蚀电位检测传感器、腐蚀电位检测仪和数据采集机记录系统，所述腐蚀电位检测传感器包括传感器主体13、一个参比电极12和若干个检测电极11以及用于存储电解液的多孔材料；其中，检测电极11的数量及位置没有特定限制，可根据实际需要确定，所述参比电极12为石墨材料，所述检测电极11为紫铜丝，但该检测电极11的材料不限于紫铜，其它导电性良好的材料亦可使用(但必须与材料疲劳损伤评定数据库中获取V-N曲线的电极材料相同)，所述参比电极12和检测电极11的尾端与传感器主体13之间设有压力弹簧，可以使参比电极12和检测电极11沿其轴向移动以适应被检测疲劳金属构件(零件)的表面形状，以保证检测时电极11和被检测疲劳金属构件(零件)表面的良好接触，所述多孔材料为可润湿材料，即，可被电解液润湿的材料，诸如，所述多孔材料可以采用海绵，但并不限制为海绵。所述多孔材料设置在所述检测电极12的前端，所述多孔材料中充满电解液。所述电解液应选取对构件(零件)表面没有腐蚀作用的导电溶液，在参比电极12与检测电极11之间最小距离以保证各电极之间不相互干扰为基准，如图3-1和图3-2所示，本发明中腐蚀电位检测传感器的形状尺寸根据需要确定，没有固定尺寸限制。
本发明中采用一台计算机作为数据采集机记录系统，本发明中的腐蚀电位检测仪采用上海正方电子电器有限公司ZF-10B数据采集存贮器，该仪器是一种高灵敏度的电位测试装置，可实时测量腐蚀电位与时间的变化关系，并将其存储在内存中或通过RS232-USB接口直接传递到计算机中进行实时记录和显示，通过数据采集机记录系统可以得出腐蚀电位与时间变化关系，因此，在实时疲劳损伤检测过程中，可记录腐蚀电位随时间的变化关系曲线，通过对比检测腐蚀电位与特征曲线，即可实现疲劳损伤检测与剩余寿命评估。在对废旧工程机械产品疲劳损伤进行检测与评估时，采用传感器在被检测构件表面移动，通过腐蚀电位检测仪直接测量其腐蚀电位，与V-N特征曲线上具体电位对比，即可判定该废旧产品的疲劳损伤程度与剩余寿命评估。
本发明一种疲劳损伤电化学检测方法，包括以下步骤：
步骤一、本发明通过大量试验研究首次提出金属材料的电化学腐蚀电位(V)与疲劳寿命(N)之间存在唯一函数变化V-N特征曲线，如图1示，该V-N特征曲线可划分为疲劳损伤孕育阶段(疲劳寿命为0-No)、疲劳损伤发展阶段(疲劳寿命为No-Nd)及疲劳裂纹扩展与断裂阶段(疲劳寿命为Nd-Nf)。其中Vo为腐蚀参考电位，通过检测某时刻腐蚀电位与参考电位的差值，可定量判断疲劳损伤的发展程度；该V-N特征曲线主要与金属材料类型有关，与构件形状及尺寸关系不大，具有材料性能属性特征。本发明通过疲劳试验确定各种材料电化学腐蚀电位与疲劳寿命的V-N特征曲线，并作为评价材料疲劳性能的依据，该V-N特征曲线是本发明检测方法关的检测原理。通过标准疲劳试验获得各类被检测金属材料的电化学腐蚀电位与疲劳寿命特征曲线，通过数据处理，去除所得曲线中的干扰与波动，得到标准电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N特征曲线，并作为材料性能存储在疲劳损伤评定数据库中；
步骤二、将如图2所示的疲劳损伤电化学检测装置中的检测电极11的前端与被检测疲劳金属构件待测区域的表面接触，如图4所示，实时检测被检测疲劳金属构件待测区域，并且记录被检测疲劳金属构件的实际腐蚀电位与时间的关系数据；
步骤三、根据步骤二实时检测所得被检测疲劳金属构件的电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N曲线与疲劳损伤评定数据库中的标准电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N特征曲线进行比对，得出被检测疲劳金属构件的疲劳损伤发展状况，并以此为依据对被检测疲劳金属构件的疲劳寿命作出评定。如果所述被检测疲劳金属构件为废旧金属零部件，实时检测过程中将腐蚀电位传感器在废旧金属零部件的表面上移动，将废旧金属零部件不同部位表面的电化学腐蚀电位与疲劳损伤评定数据库中的标准电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N特征曲线比对，得出该废旧金属零部件不同部位的疲劳损伤程度，以此为依据对该废旧金属零部件的疲劳寿命作出评定。本发明中涉及到的被检测疲劳金属构件不只为废旧零件，即被检测疲劳金属构件有两类：1.一类是新的金属构件，记录它的实际腐蚀电位与时间的关系，据此监控此构件的疲劳损伤发展情况；2.另一类为废旧金属零部件，检测它的腐蚀电位，并与标准曲线对比，可以得到些废旧零件不同部位的疲劳损伤程度。
实施例：被检测疲劳金属构件取自某工程机械双排链轮轴，其材料为42CrMo钢，该被检测疲劳金属构件受载情况及与腐蚀电位传感器的布置如图4所示，根据需要采用一个检测电极。将腐蚀电位传感器用无水乙醇清洗并固定于被检测疲劳金属构件的缺口处，以保证参比电极和检测电极与该被检测疲劳金属构件接触良好，将腐蚀电位传感器与腐蚀电位检测仪通过导线相连接，并将腐蚀电位检测仪通过RS-USB数据线连接至作为数据采集机记录系统的计算机，计算机中存储有用于采集和处理腐蚀电位数据的软件。然后，加载并开启试验机。此时微型计算机实时显示检测所得腐蚀电位-时间曲线直至试样发生疲劳断裂。利用数据处理软件将电位-时间曲线横坐标转化为疲劳寿命(以百分数表示)即得到腐蚀电位-疲劳寿命特征曲线如图5所示。由5图可见，疲劳损伤孕育期近似为整个疲劳寿命的40％，疲劳损伤发展阶段近似占整个疲劳寿命的50％左右，在此阶段电化学腐蚀电位(V)近似线性增加；而疲劳损伤孕育与发展阶段的总合为疲劳裂纹萌生过程近似为整个疲劳寿命的90％，这一结果完全符合已有的大量金属材料的疲劳试验结果：即疲劳裂纹萌生寿命近似占整个疲劳寿命的90％以上。最后疲劳裂纹扩展与断裂阶段近似占整个疲劳寿命的10％。其中电化学腐蚀参考电位Vo近似为350mv。由此可见，电化学腐蚀电位(V)与疲劳寿命(N)的关系曲线定量描述了疲劳损伤与寿命的发展过程，该疲劳试验结果即表示42CrMo钢的V-N特征曲线。通过上述标准疲劳试验可获得各类构件材料的特征曲线。
其次，通过对实际工况下的双排链轮轴构件表面进行电化学腐蚀电位监测：当检测到腐蚀电位近似为350mV时可判定为疲劳损伤孕育阶段，疲劳损伤程度为整个疲劳寿命的40％以下；当腐蚀电位超过350mV时与特征曲线上具体腐蚀电位对比，即可判断疲劳损伤发展程度占有整个疲劳寿命的比例。这样就可实现对双排链轮轴构件的疲劳损伤检测与寿命评估。
对于废旧双排链轮轴构件，可以采用腐蚀电位检测传感器直接测试构件表面局部的腐蚀电位大小，并与特征曲线进行比较：当测试腐蚀电位近似为350mv时则表示其最大疲劳损伤程度为整个疲劳寿命的40％以下；当腐蚀电位超过350mV并与特征曲线上某时刻值近似相等时如为400mV时，则表示其疲劳损伤程度为70％，其对应剩余寿命为30％。这样就可以实现对废旧双排链轮轴构件的疲劳损伤和剩余寿命评估。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种疲劳损伤电化学检测装置，包括腐蚀电位检测传感器、腐蚀电位检测仪和数据采集机记录系统，其特征在于，所述腐蚀电位检测传感器包括传感器主体(13)、一个参比电极(12)和若干个检测电极(11)以及用于存储电解液的多孔材料；所述参比电极(12)为石墨材料，所述检测电极(11)为紫铜丝，所述参比电极(12)和检测电极(11)的尾端与传感器主体(13)之间设有压力弹簧，所述多孔材料设置在所述检测电极(11)的前端，所述多孔材料中充满电解液。
2.根据权利要求1所述疲劳损伤电化学检测装置，其特征在于，所述电解液采用没有腐蚀作用的导电溶液。
3.根据权利要求1所述疲劳损伤电化学检测装置，其特征在于，所述多孔材料为可被电解液润湿的材料。
4.根据权利要求3所述疲劳损伤电化学检测装置，其特征在于，所述多孔材料为海绵。
5.一种疲劳损伤电化学检测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过标准疲劳试验获得各类被检测金属材料的电化学腐蚀电位与疲劳寿命特征曲线，通过数据处理，去除所得曲线中的干扰与波动，得到标准电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N特征曲线，并作为材料性能存储在疲劳损伤评定数据库中；
步骤二、将如权利要求1所述疲劳损伤电化学检测装置中的检测电极的前端与被检测疲劳金属构件待测区域的表面接触，实时检测被检测疲劳金属构件待测区域，并且记录被检测疲劳金属构件的实际腐蚀电位与时间的关系数据；
步骤三、根据步骤二实时检测所得被检测疲劳金属构件的电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N曲线与疲劳损伤评定数据库中的标准电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N特征曲线进行比对，得出被检测疲劳金属构件的疲劳损伤发展状况，并以此为依据对被检测疲劳金属构件的疲劳寿命作出评定。
6.根据权利要求5所述疲劳损伤电化学检测方法，其中，所述被检测疲劳金属构件为废旧金属零部件，实时检测过程中将腐蚀电位传感器在废旧金属零部件的表面上移动，将废旧金属零部件不同部位表面的电化学腐蚀电位与疲劳损伤评定数据库中的标准电化学腐蚀电位与疲劳寿命V-N特征曲线比对，得出该废旧金属零部件不同部位的疲劳损伤程度，以此为依据对该废旧金属零部件的疲劳寿命作出评定。
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