CN103969176A - 一种应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，该方法包括两方面，一是采用四点弯曲实现恒应变的加载，以螺旋测微定位螺栓实现试样弯曲同时测量饶度；二是多组恒应变加载装置安装在有卡槽的实海投样框架上，并安装多通道电位采集装置，在自然海水或深海环境中进行电位监测。本发明所述的应力状态下低合金钢腐蚀试验方法，不仅能够实现受力构件在自然环境的应力腐蚀性能评价，同时也可以用于实验室内材料应力腐蚀机理研究。本发明为受力结构在服役工况中应力腐蚀性能的研究提供了一种新的试验方法，采用该试验方法获得的试验数据，能够更加真实的反映该工况下材料及构件的腐蚀规律，这为该工况中使用材料的研制提供更有利的腐蚀研究手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，属于金属材料腐蚀试验方法领域。
背景技术
低合金钢具有较高的强度、较好的韧性及优异的焊接性能，广泛应用于船舶及船载设备、海滨建筑、码头及海上平台等结构。高盐分、高湿度、重污染的海洋环境，使腐蚀成为影响和制约船舶和海洋工程设备安全使用的重要因素。低合金钢常见的腐蚀形式是均匀腐蚀，但是船舶和海洋工程结构通常不会因均匀腐蚀而失效。由于服役工况的复杂性，低合金钢结构也常常发生溃疡、点蚀等局部腐蚀，其中最危险的破坏形式是在海水和波浪的冲击下发生应力腐蚀破裂。应力腐蚀是金属材料在腐蚀介质与应力共同作用发生的腐蚀破坏。海洋结构工程中任何受到应力的构件都可能遭受到应力腐蚀或腐蚀疲劳破坏，尤其是受到阴极保护的金属材料或构件，其应力腐蚀的敏感性更强。为了防止应力腐蚀造成的局部腐蚀破坏，非常有必要对应力腐蚀的行为和规律进行研究，并针对其腐蚀特点采取有效的控制措施。
现有的实验室内的应力腐蚀试验大多数按照国标GB/T 15970.1～8进行，详细制订了各种材料及焊接件的预裂纹、U型和弯梁及单轴加载拉伸试样恒载荷和慢拉伸应力腐蚀试验方法，腐蚀介质通过模拟服役工况来配制。而户外应力腐蚀试验大多采用GB/T 24518-2009《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀室外暴露试验方法》，该试验方法介绍了单轴加载拉伸、C型试样、预裂纹试样和弯梁试样的户外恒载荷应力腐蚀试验方法。根据以上国标进行弯梁试样的实海暴露试验时，发现实现加载的试验装置锈死而导致试样受力不准确；而且绝缘漆也很快失效，导致加载装置与试样发生电偶腐蚀。此外，标准中所制定的评价方法只能在试验结束后进行，无法得知试验过程中试样的腐蚀性能变化。因此，有必要建立一种新的应力状态下低合金钢腐蚀试验方法，研究低合金钢应力腐蚀性能。
现有专利技术关于应力腐蚀试验装置或方法的报道较多，如中国实用新型专利号为201020534716.7“一种铝合金拉伸应力腐蚀试验装置”、200920106316.3“铝合金C型环试样应力腐蚀试验装置”均适合于实验室铝合金的应力腐蚀性能评价。中国发明专利“高温高压楔形张开加载预裂纹应力腐蚀试验装置”(201210453909.3)介绍了一种模拟现场高温高压环境的应力腐蚀试验装置，用于实验室中金属材料的应力腐蚀性能研究。中国发明专利“金属杆体材料应力腐蚀试验装置及其试验方法”(200710015169.4)是针对钢丝类杆体金属材料提出的应力腐蚀试验方法。中国实用新型专利号为94247294.2“弹簧恒载荷应力腐蚀试验装置”适合于研究金属材料在气体环境中的应力腐蚀行为，而中国实用新型专利号为02294133.9的“便携式拉伸应力腐蚀试验装置”能够用于研究金属材料在自然环境或特定环境中的应力腐蚀性能，不仅可以用于实验室内也可用于现场试验。但是上述专利技术中所述的应力腐蚀试验装置均不能用于海水自然环境试验。目前为止，在金属材料腐蚀试验方法领域，尚未查阅到应力状态下金属材料自然海水环境腐蚀试验方法，也还没有相同或相似的技术记载或文献报道。
发明内容
本发明的目的在于发明一种应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，用于自然海水（包括深海）环境中低合金钢应力腐蚀性能评价。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，该方法包括两方面，一是采用四点弯曲实现恒应变的加载，以螺旋测微定位螺栓实现试样弯曲同时测量饶度；二是多组恒应变加载装置安装在有卡槽的实海投样框架上，并安装多通道电位采集装置，在自然海水或深海环境中进行电位监测。
进一步地，上述方法中，所采用的恒应变加载装置包括外支架、内支点、外支点、试样、内支架和螺旋测微定位螺栓，其中，外支架上部两端设置有内支点和防断螺栓，外部支架下部中间设置有螺旋测微定位螺栓，螺旋测微定位螺栓顶部设置有内支架，内支架上两端位置设置有内支点；内支点与外支点之间放置有试样，试样两端设置有导线与放置在外支架一侧的电位测量装置相连接；螺旋测微定位螺栓末端制有一孔，孔内插入有旋紧杆。
上述装置中，外支架和内支架采用刚性好、强度高的耐蚀材料，如不锈钢、钛合金或陶瓷材料，保证试验过程中不会发生严重的腐蚀破坏而影响对试样的加载精度。内支点和外支点采用直径毫米的电木。外支架和内支架的支点处设有直径毫米的半圆凹坑，正好卡紧作为支点的电木，使支点在试样受力时保持位置不变。外支架两端分别有一绝缘材质的防断螺栓连接试样两端，保证试样因应力腐蚀断裂后不丢失；试样两端有导线连接至电位测量装置，监测试样的电位，通过分析电位的变化规律来判断试样的裂纹诱发时间和断裂时间。为保证试样应变的精度，内支架的螺旋测微定位螺栓采用微细螺纹加工，并标上刻度，每旋转一周，螺栓前进毫米，制作成具有螺旋测微功能的定位螺栓。螺旋测微定位螺栓将内支架抬升的高度决定着试样的应变量和所受应力。螺旋测微定位螺栓末端制有一孔，旋紧杆插入该孔进行转动，即可实现内支架的抬升，从而实现试样的弯曲。
进行实海或深海试验时，将该恒应变加载装置安装在试验框架上，并用固定孔和固定卡扣将其固定。在试验周期内，通过拆卸卡扣，可以方便的取出恒应变加载试验装置进行试样的观察。
采用本发明的恒应变加载试验装置进行应力状态下试样的全浸腐蚀试验，经一定的试验周期后，对试样进行拉伸试验，测得其抗拉强度，记为σb1，同时计算其平均腐蚀速率，记为V1；未受应力试样的平均腐蚀速率记为V0，则应力对试样腐蚀的促进作用可以用τ=（V1- V0）/ V1表示，腐蚀对机械性能的影响可以用θ=（σb-σb1）/σb表示，并综合τ和θ评价其应力腐蚀敏感性。如果试验时间足够长，则分析试样电位变化，判断试样的断裂时间t，分析断口形貌，综合分析应力腐蚀性能。
该发明的有益效果在于：本发明所述的应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，不仅能够实现受力构件在自然环境（深海环境）的应力腐蚀性能评价，同时也可以用于实验室内材料应力腐蚀机理研究。本发明为受力结构在服役工况中应力腐蚀性能的研究提供了一种新的试验方法，采用该试验方法获得的试验数据，能够更加真实的反映该工况下材料及构件的腐蚀规律，这为该工况中使用材料的研制提供更有利的腐蚀研究手段。
附图说明
图1 是本发明实施例中所使用恒应变加载装置结构示意图。
图2 是本发明实施例中所使用测试装置结构示意图。
图3 是本发明实施例1中所测试出的应力-应变曲线对比图。
图4 是本发明实施例2中所测试出的应力-应变曲线对比图。
图5 是本发明实施例2中所测试出的电位时间曲线图。
图中标记说明：1.防断螺栓； 2.外支点； 3.内支点；4.试样；5.内支架；6.螺旋测微定位螺栓；7. 外支架；8.旋紧杆；9.电位测量装置；10.试验框架；11.固定孔； 12.固定卡扣。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
如图1所示，下列实施例所采用的恒应变加载装置包括外支架7、内支点3、外支点2、试样4、内支架5和螺旋测微定位螺栓6，其中，外支架7上部两端设置有内支点2和防断螺栓1，外部支架7下部中间设置有螺旋测微定位螺栓6，螺旋测微定位螺栓6顶部设置有内支架5，内支架5上两端位置设置有内支点3；内支点3与外支点2之间放置有试样4，试样4两端设置有导线与放置在外支架7一侧的电位测量装置9相连接；螺旋测微定位螺栓6末端制有一孔，孔内插入有旋紧杆8。
上述装置中，外支架7和内支架5采用刚性好、强度高的耐蚀材料，如不锈钢、钛合金或陶瓷材料，保证试验过程中不会发生严重的腐蚀破坏而影响对试样的加载精度。内支点3和外支点2采用直径5毫米的电木。外支架7和内支架5的支点处设有直径6毫米的半圆凹坑，正好卡紧作为支点的电木，使支点在试样受力时保持位置不变。外支架7两端分别有一绝缘材质的防断螺栓1连接试样4两端，保证试样因应力腐蚀断裂后不丢失；试样4两端有导线连接至电位测量装置9，监测试样的电位，通过分析电位的变化规律来判断试样的裂纹诱发时间和断裂时间。为保证试样应变的精度，内支架5的螺旋测微定位螺栓6采用微细螺纹加工，并标上刻度，每旋转一周，螺栓前进1毫米，制作成具有螺旋测微功能的定位螺栓。螺旋测微定位螺栓6将内支架5抬升的高度决定着试样的应变量和所受应力。螺旋测微定位螺栓6末端制有一孔，旋紧杆8插入该孔进行转动，即可实现内支架5的抬升，从而实现试样的弯曲。
进行实海或深海试验时，将该恒应变加载装置安装在试验框架10上，并用固定孔11和固定卡扣12将其固定，如图2所示。在试验周期内，通过拆卸卡扣，可以方便的取出恒应变加载试验装置进行试样的观察。
采用上述恒应变加载试验装置进行应力状态下试样的全浸腐蚀试验，经一定的试验周期后，对试样进行拉伸试验，测得其抗拉强度，记为σb1，同时计算其平均腐蚀速率，记为V1；未受应力试样的平均腐蚀速率记为V0，则应力对试样腐蚀的促进作用可以用τ=（V1- V0）/ V1表示，腐蚀对机械性能的影响可以用θ=（σb-σb1）/σb表示，并综合τ和θ评价其应力腐蚀敏感性。如果试验时间足够长，则分析试样电位变化，判断试样的断裂时间t，分析断口形貌，综合分析应力腐蚀性能。
实施例1：
选择316L不锈钢加工外支架7和内支架5，内支点3和外支点2采用直径5毫米的电木。试验材料为TC4，试样4尺寸为2×15×110mm。将试样4卡在内支点3和外支点2之间，将旋紧杆8插入螺旋测微定位螺栓6末端，旋转旋紧杆8四周，使螺旋测微定位螺栓6抬升4mm，根据公式计算得出试样所受应力为675Mpa。将试样4两端导线连接到电位测量装置9，将该恒应变加载试验装置浸泡到天然海水中，并开始电位测量。图3 是本实施例中所测试出的应力-应变曲线对比图。
实施例2：
选择316L不锈钢加工外支架7和内支架5，内支点3和外支点2采用直径5毫米的电木。试验材料为TC4，试样4尺寸为2×20×110mm。将试样4卡在内支点3和外支点2之间，将旋紧杆8插入螺旋测微定位螺栓6末端，旋转旋紧杆8四周，使螺旋测微定位螺栓6抬升6.2mm，根据公式计算得出试样所受应力为855Mpa。按照以上步骤安装6组应力状态下的试样4，将6组恒应变加载装置安装到试样架10上，用固定卡扣12将位置固定，连接试样4两端的导线至多通道电位检测仪器，将该试样架10安放到到青岛小麦岛海水试验站全浸区，同时开始电位原位检测。图4 是本实施例中所测试出的应力-应变曲线对比图。图5 是本实施例中所测试出的电位时间曲线图。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，其特征在于：所述方法包括两方面，一是采用四点弯曲实现恒应变的加载，以螺旋测微定位螺栓实现试样弯曲同时测量饶度；二是多组恒应变加载装置安装在有卡槽的实海投样框架上，并安装多通道电位采集装置，在自然海水或深海环境中进行电位监测。
2.根据权利要求1所述的应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，其特征在于：所述方法中，所采用的恒应变加载装置包括外支架、内支点、外支点、试样、内支架和螺旋测微定位螺栓，其中，外支架上部两端设置有内支点和防断螺栓，外部支架下部中间设置有螺旋测微定位螺栓，螺旋测微定位螺栓顶部设置有内支架，内支架上两端位置设置有内支点；内支点与外支点之间放置有试样，试样两端设置有导线与放置在外支架一侧的电位测量装置相连接；螺旋测微定位螺栓末端制有一孔，孔内插入有旋紧杆。
3.根据权利要求2所述的应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，其特征在于：所述外支架和内支架采用刚性好、强度高的耐蚀材料，如不锈钢、钛合金或陶瓷材料，保证试验过程中不会发生严重的腐蚀破坏而影响对试样的加载精度；内支点和外支点采用直径5毫米的电木；外支架和内支架的支点处设有直径6毫米的半圆凹坑，正好卡紧作为支点的电木，使支点在试样受力时保持位置不变；外支架两端分别有一绝缘材质的防断螺栓连接试样两端，保证试样因应力腐蚀断裂后不丢失；试样两端有导线连接至电位测量装置，监测试样的电位，通过分析电位的变化规律来判断试样的裂纹诱发时间和断裂时间；为保证试样应变的精度，内支架的螺旋测微定位螺栓采用微细螺纹加工，并标上刻度，每旋转一周，螺栓前进1毫米；螺旋测微定位螺栓末端制有一孔，旋紧杆插入该孔进行转动，即可实现内支架的抬升，从而实现试样的弯曲。
4.根据权利要求1或2所述的应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，其特征在于：进行实海或深海试验时，将所述恒应变加载装置安装在试验框架上，并用固定孔和固定卡扣将其固定；在试验周期内，通过拆卸卡扣，方的取出恒应变加载试验装置进行试样的观察。
5.根据权利要求1至4所述的应力状态下低合金钢海水腐蚀试验方法，其特征在于：采用所述恒应变加载试验装置进行应力状态下试样的全浸腐蚀试验，经1周至10周的试验周期后，对试样进行拉伸试验，测得其抗拉强度，记为σb1，同时计算其平均腐蚀速率，记为V1；未受应力试样的平均腐蚀速率记为V0，则应力对试样腐蚀的促进作用可以用τ=（V1- V0）/ V1表示，腐蚀对机械性能的影响可以用θ=（σb-σb1）/σb表示，并综合τ和θ评价其应力腐蚀敏感性；如果断裂所需试验时间超过10周，则分析试样电位变化，判断试样的断裂时间t，分析断口形貌，综合分析应力腐蚀性能。
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