CN105547980B - 一种模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷的实验装置，该装置可用于模拟材料在流动腐蚀介质中的循环弯曲行为，实验过程中流场的流量、实验温度可控，腐蚀介质可以变更，弯曲载荷大小、频率可调，适用于流动腐蚀介质中，材料在循环弯曲载荷作用下的疲劳和腐蚀实验。本发明实验装置结构简单，成本低，操作方便，功能全面，可以得到科学的实验结果。

Description

一种模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷的实验装置
技术领域
本发明涉及一种模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷的实验装置，适用于模拟材料在流动腐蚀介质中受到循环弯曲载荷的行为，属于材料防护的技术领域。
背景技术
真实模拟材料的实际工作环境，并评估、预测材料的行为是材料工作者普遍关注的一个重要问题。大部分材料实际的工作环境往往存在多场耦合作用，包括流场、温度场以及应力场的共同作用，如骨科固定器件在体内固定过程中受到体液形成的流场和外在运动施加的循环弯曲应力场共同作用。在流场、循环弯曲载荷以及腐蚀介质共同作用下，材料尤其是可降解材料性能会加速下降，导致其过早失效，如何在体外真实地模拟这种行为，并且有效计算其腐蚀速率是科学评估材料性能的关键。
目前在材料腐蚀防护的模拟研究多是集中于单一的流场或者应力场的研究，少数关于多场耦合的研究主要是采用拉伸疲劳试验机，模拟材料在单一轴向循环拉压载荷作用下的疲劳行为。而与单一轴向拉伸循环载荷不同，在循环弯曲载荷作用下材料沿轴向的应力分布不均匀，使得材料轴向的腐蚀速度的不同，造成最终材料腐蚀行为或者失效部位不同。同时，实验过程中得到的只有最终腐蚀数据，无法得知瞬时的腐蚀行为。因而，所获得的数据其对实际工程的参考意义有限。
为此，亟需设计一种能真实模拟材料受到流场腐蚀介质和循环弯曲载荷共同作用的装置，以科学地评估材料整体和瞬时的腐蚀行为。
发明内容
发明目的：本发明目的是设计一种用于模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷作用的实验装置，该装置真实模拟了材料在流动腐蚀介质中的循环弯曲行为，并且流场的流量、实验温度以及腐蚀介质可控，弯曲载荷大小、频率可调，腐蚀速率可计算，适用于流场环境下、腐蚀介质中、材料在循环弯曲载荷作用下的腐蚀和疲劳实验。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷的实验装置，包括可调速蠕动泵、储液瓶、带刻度U型管、循环弯曲载荷施加装置、水浴锅、硅胶软管、PVC软管，可调速蠕动泵控制流场流量；储液瓶更换装置内的腐蚀介质；带刻度U型管收集并定量测量析出的反应气体，用以测定腐蚀速率及评价剧烈水平；循环弯曲载荷施加装置用以施加循环弯曲载荷，并且载荷的大小和频率可调；水浴锅用以调节流体的温度。
所述可调速蠕动泵的内部贯穿设置有硅胶软管，所述可调速蠕动泵的一端通过硅胶软管和接管器与储液瓶的一端连接，所述储液的另一端与循环弯曲载荷施加装置的一端连接，所述循环弯曲载荷施加装置的另一端与PVC软管连接，所述PVC软管通过接管器和硅胶软管与可调速蠕动泵另一端连接，构成腐蚀介质流场环境；所述储液瓶设置在水浴锅内，所述带刻度U型管与储液瓶连接设置。
所述循环弯曲载荷施加装置包括空气压缩机、气压调节阀、时间继电器、电磁阀、双作用气缸、试件、支架和容器，所述空气压缩机与气压调节阀连接，所述气压调节阀与电磁阀连接，所述电磁阀分别与各双作用气缸连接，各所述双作用气缸分别与支架支撑设置，各所述双作用气缸分别通过对应的气缸活塞杆与试件循环弯曲载荷连接设置在容器内。
所述双作用气缸为四个，中间两个所述双作用气缸所对应的气缸活塞杆的运动方向一致，两侧两个所述双作用气缸所对应的气缸活塞杆的运动方向与中间两个相反。
有益效果：本发明的有益效果如下：
1)真实模拟了材料在流动的腐蚀介质的循环弯曲行为。该装置与传统流场腐蚀试验装置及单一拉-压交替疲劳实验不同，它综合了流场作用、循环载荷、腐蚀介质三重影响，更真实地模拟材料在流场环境下、腐蚀介质中的循环弯曲行为，可以更科学地评价材料在流动腐蚀介质中的循环弯曲腐蚀行为。
2)评估瞬时的腐蚀行为。针对可降解金属的腐蚀，利用带刻度U型管测量金属在腐蚀过程中释放出气体体积，可以计算金属瞬时的腐蚀速率。
3)简单适用。该装置无需复杂的控件，成本低，操作方便，可以实现不同载荷大小、频率、实验温度以及腐蚀介质下的测试，具有普遍适用性。
附图说明
图1为模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷作用实验装置的示意图；
图2为循环弯曲载荷施加装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷的实验装置，包括可调速蠕动泵1、储液瓶2、带刻度U型管3、循环弯曲载荷施加装置4、水浴锅5、硅胶软管6、PVC软管7，可调速蠕动泵1控制流场流量；储液瓶2更换装置内的腐蚀介质；带刻度U型管3收集并定量测量析出的反应气体，用以测定腐蚀速率及评价剧烈水平；循环弯曲载荷施加装置4用以施加循环弯曲载荷，并且载荷的大小和频率可调；水浴锅5用以调节流体的温度。
所述可调速蠕动泵1的内部贯穿设置有硅胶软管6，所述可调速蠕动泵1的一端通过硅胶软管6和接管器8与储液瓶2的一端连接，所述储液2的另一端与循环弯曲载荷施加装置4的一端连接，所述循环弯曲载荷施加装置4的另一端与PVC软管7连接，所述PVC软管7通过接管器8和硅胶软管6与可调速蠕动泵1另一端连接，构成腐蚀介质流场环境；所述储液瓶2设置在水浴锅5内，所述带刻度U型管3与储液瓶2连接设置。
如附图2，所述循环弯曲载荷施加装置4包括空气压缩机9、气压调节阀10、时间继电器11、电磁阀12、双作用气缸13、试件14、支架15和容器16，所述空气压缩机9与气压调节阀10连接，所述气压调节阀10与电磁阀12连接，所述电磁阀12分别与各双作用气缸13连接，各所述双作用气缸13分别与支架15支撑设置，各所述双作用气缸13分别通过对应的气缸活塞杆与试件14循环弯曲载荷连接设置在容器16内。
所述双作用气缸13为四个，中间两个所述双作用气缸13所对应的气缸活塞杆的运动方向一致，两侧两个所述双作用气缸13所对应的气缸活塞杆的运动方向与中间两个相反。
实施例1：
如图示2所示装置，选用的试件为60mm×12mm×10mm的混凝土试块，气缸13为缸径10mm的微型双作用气缸；电磁阀12为两位五通电磁阀；时间继电器11为双循环时间继电器；采用的腐蚀介质为海水，温度为25℃，通过可调速蠕动泵控制流场速度，利用气压调节阀调节气压，时间继电器调整频率，即可进行模拟真实江水或海浪冲击环境及温度下混凝土的腐蚀疲劳实验。
实施例2：
所用的装置与实施例1相同，选用的试件为60mm×12mm×3mm的经过微弧氧化处理的Ti-6Al-4V钛合金，采用的腐蚀介质为模拟体液，温度为37℃，通过可调速蠕动泵控制流场速度，利用气压调节阀调节气压，时间继电器调整频率，即可进行模拟37℃人体血液环境下试件的弯曲腐蚀疲劳实验。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷的实验装置，包括可调速蠕动泵(1)、储液瓶(2)、带刻度U型管(3)、循环弯曲载荷施加装置(4)、水浴锅(5)、硅胶软管(6)、PVC软管(7)，其特征在于：可调速蠕动泵(1)控制流场流量；储液瓶(2)更换装置内的腐蚀介质；带刻度U型管(3)收集并定量测量析出的反应气体，用以测定腐蚀速率及评价剧烈水平；循环弯曲载荷施加装置(4)用以施加循环弯曲载荷，并且载荷的大小和频率可调；水浴锅(5)用以调节流体的温度；所述储液瓶(2)设置在水浴锅(5)内，所述带刻度U型管(3)与储液瓶(2)连接设置；所述循环弯曲载荷施加装置(4)包括空气压缩机(9)、气压调节阀(10)、时间继电器(11)、电磁阀(12)、双作用气缸(13)、试件(14)、支架(15)和容器(16)，所述空气压缩机(9)与气压调节阀(10)连接，所述气压调节阀(10)与电磁阀(12)连接，所述电磁阀(12)分别与各双作用气缸(13)连接，各所述双作用气缸(13)分别与支架(15)支撑设置，各所述双作用气缸(13)分别通过对应的气缸活塞杆与试件(14)循环弯曲载荷连接设置在容器(16)内；所述双作用气缸(13)为四个，中间两个所述双作用气缸(13)所对应的气缸活塞杆的运动方向一致，两侧两个所述双作用气缸(13)所对应的气缸活塞杆的运动方向与中间两个相反。
2.根据权利要求1所述一种模拟材料在流场环境中受到循环弯曲载荷的实验装置，其特征在于：所述可调速蠕动泵(1)的内部贯穿设置有硅胶软管(6)，所述可调速蠕动泵(1)的一端通过硅胶软管(6)和接管器(8)与储液瓶(2)的一端连接，所述储液瓶(2)的另一端与循环弯曲载荷施加装置(4)的一端连接，所述循环弯曲载荷施加装置(4)的另一端与PVC软管(7)连接，所述PVC软管(7)通过接管器(8)和硅胶软管(6)与可调速蠕动泵(1)另一端连接，构成腐蚀介质流场环境。
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