CN105651630A - 模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置，该装置可以真实模拟材料在流动腐蚀介质中的循环拉伸及压缩行为，实验过程中流场的流速、腐蚀介质及实验温度可控，拉伸、压缩载荷大小、频率可调，适用于材料在流动腐蚀介质中受到循环拉压交替载荷作用的疲劳腐蚀实验。本发明实验装置结构简单、成本低廉、操作简便、功能齐全，可以得到科学、真实的实验结果。

Description

模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置
技术领域
本发明涉及一种用于模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置，适用于模拟材料在流动腐蚀介质中受到循环拉压交替载荷的行为，属于材料防护技术领域。
背景技术
真实模拟材料的实际工作环境，并评估、预测材料的应力腐蚀行为是材料工作者普遍关注的一个技术问题。现实中，大部分材料实际的工作环境经常存在多场耦合作用，包括流场、温度场以及应力场的共同作用，如骨科固定器械在体内应用过程中受到体液形成的流场和外在运动施加的循环拉压交替应力场共同作用。在流场、循环拉压交替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，导致其在服役周期内过早失效。因此，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相关物理、机械性能的关键。
目前在材料腐蚀防护方面的模拟研究多集中于单一的流场或者应力场，缺乏对材料在多场耦合作用下的腐蚀行为研究。模拟材料在单一轴向循环拉压载荷作用下的疲劳行为，只能单纯获得材料相关机械性能，没有考虑流场和温度场等常见影响因素对材料局部腐蚀的严重影响。由于载荷施加方式与实际拉压交替载荷施加形式不同，这种测试方式并不能真实地反映材料在腐蚀介质中承受循环拉压交替载荷时的工作状态。因而，所获得的数据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特定温度流场腐蚀介质和循环拉压交替载荷共同作用的装置，以真实、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体环境中受到循环拉压交替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拉伸、压缩行为，并且流场的流速、实验温度以及腐蚀介质可控，拉压交替载荷大小、频率可调，腐蚀速率可根据试件失重、表面腐蚀面积百分比等结果参数计算，适用于流动腐蚀环境中，材料在循环拉压交替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：
模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置，包括可调速蠕动泵、控温电加热储液槽、循环拉压交替载荷施加装置、硅胶软管、PVC软管和接管器，所述可调速蠕动泵控制流场流速；控温电加热储液槽控制腐蚀介质温度并且可以随时更换装置内的腐蚀介质；循环拉压交替载荷施加装置用以施加循环拉压交替载荷，并且载荷的大小和频率可调。
进一步的，所述可调速蠕动泵内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控温电加热储液槽的一端连接，所述控温电加热储液槽的另一端通过PVC软管与循环拉压交替载荷施加装置，所述循环拉压交替载荷施加装置的另一端通过接管器与可调速蠕动泵的另一端连接，构成流场环境。
进一步的，所述循环拉压交替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、支架、试件固定台、带内螺纹的固定端、带外螺纹棒状试件和容器，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，所述电磁阀与双作用气缸连接，所述双作用气缸与支架支撑设置，所述双作用气缸通过对应的气缸活塞杆与上、下设置的试件固定台连接；上、下两个所述试件固定台之间通过带内螺纹的固定端拉压交替载荷固定设有带外螺纹棒状试件，所述带外螺纹棒状试件设在容器内；所述时间继电器与电磁阀连接。
进一步的，所述腐蚀介质为模拟体液或模拟血浆溶液。
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腐蚀介质中的循环拉压交替行为。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、循环拉压载荷、腐蚀介质三重影响，更真实地模拟材料在流体环境下、腐蚀介质中的循环拉压交替行为，可以更精确地对材料在流动腐蚀介质中的循环拉压交替腐蚀行为进行预判。
2)评估瞬时的腐蚀行为。针对可降解金属材料的腐蚀，利用金属腐蚀损失质量以及腐蚀面积百分比等实验结果参数，可以计算金属瞬时的腐蚀速率。
3)装置简单、适用范围广。该装置无需复杂的控件，成本低廉、操作简便，可以实现不同拉压载荷大小、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为模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷作用实验装置的示意图；
图2为循环拉压交替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，模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置，包括可调速蠕动泵1、控温电加热储液槽2、循环拉压交替载荷施加装置3、硅胶软管4、PVC软管5和接管器6，所述可调速蠕动泵1控制流场流速；控温电加热储液槽2控制腐蚀介质温度并且可以随时更换装置内的腐蚀介质；循环拉压交替载荷施加装置3用以施加循环拉压交替载荷，并且载荷的大小和频率可调。
所述可调速蠕动泵1内贯穿设置有硅胶软管4，所述可调速蠕动泵1的一端通过硅胶软管4和接管器6与控温电加热储液槽2的一端连接，所述控温电加热储液槽2的另一端通过PVC软管5与循环拉压交替载荷施加装置3，所述循环拉压交替载荷施加装置3的另一端通过接管器6与可调速蠕动泵1的另一端连接，构成流场环境。
如图2所示，所述循环拉压交替载荷施加装置3包括空气压缩机7、气压调节阀8、时间继电器9、电磁阀10、双作用气缸11、支架12、试件固定台13、带内螺纹的固定端14、带外螺纹棒状试件15和容器16，所述空气压缩机7与气压调节阀8连接，所述气压调节阀8与电磁阀10连接，所述电磁阀10与双作用气缸11连接，所述双作用气缸11与支架12支撑设置，所述双作用气缸11通过对应的气缸活塞杆与上、下设置的试件固定台13连接；上、下两个所述试件固定台13之间通过带内螺纹的固定端14拉压交替载荷固定设有带外螺纹棒状试件15，所述带外螺纹棒状试件15设在容器16内。所述时间继电器9与电磁阀10连接。
实施例1：
选用的带外螺纹棒状试件15为长度为60mm，直径为3mm的AZ31B棒材，时间继电器9为双循环时间继电器；电磁阀10为两位五通电磁阀；双作用气缸11为缸径10mm的微型双作用气缸；采用的腐蚀介质为模拟体液，温度为37℃，通过可调速蠕动泵1控制流场速度，利用气压调节阀8调节气压，时间继电器9调整频率，即可进行模拟真实人体腐蚀环境及温度下镁合金植入器件的腐蚀疲劳实验。
实施例2：
所用的装置与实施例1相同，选用的带外螺纹棒状试件15为60mm，直径为3mm的经过微弧氧化处理的纯镁棒材，采用的腐蚀介质为模拟血浆溶液，温度为37℃，通过可调速蠕动泵1控制流场速度，利用气压调节阀8调节气压，时间继电器9调整频率，即可进行模拟37℃人体血液环境下棒状试件的拉压交替腐蚀疲劳实验。
上述实施方式只是本发明的几个实例，不是用来限制本发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容作出的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。

Claims (4)

1.模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置，包括可调速蠕动泵(1)、控温电加热储液槽(2)、循环拉压交替载荷施加装置(3)、硅胶软管(4)、PVC软管(5)和接管器(6)，其特征在于：所述可调速蠕动泵(1)控制流场流速；控温电加热储液槽(2)控制腐蚀介质温度并且可以随时更换装置内的腐蚀介质；循环拉压交替载荷施加装置(3)用以施加循环拉压交替载荷，并且载荷的大小和频率可调。
2.根据权利要求1所述模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置，其特征在于：所述可调速蠕动泵(1)内贯穿设置有硅胶软管(4)，所述可调速蠕动泵(1)的一端通过硅胶软管(4)和接管器(6)与控温电加热储液槽(2)的一端连接，所述控温电加热储液槽(2)的另一端通过PVC软管(5)与循环拉压交替载荷施加装置(3)，所述循环拉压交替载荷施加装置(3)的另一端通过接管器(6)与可调速蠕动泵(1)的另一端连接，构成流场环境。
3.根据权利要求1或2所述模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置，其特征在于：所述循环拉压交替载荷施加装置(3)包括空气压缩机(7)、气压调节阀(8)、时间继电器(9)、电磁阀(10)、双作用气缸(11)、支架(12)、试件固定台(13)、带内螺纹的固定端(14)、带外螺纹棒状试件(15)和容器(16)，所述空气压缩机(7)与气压调节阀(8)连接，所述气压调节阀(8)与电磁阀(10)连接，所述电磁阀(10)与双作用气缸(11)连接，所述双作用气缸(11)与支架(12)支撑设置，所述双作用气缸(11)通过对应的气缸活塞杆与上、下设置的试件固定台(13)连接；上、下两个所述试件固定台(13)之间通过带内螺纹的固定端(14)拉压交替载荷固定设有带外螺纹棒状试件(15)，所述带外螺纹棒状试件(15)设在容器(16)内；所述时间继电器(9)与电磁阀(10)连接。
4.根据权利要求1所述模拟材料在流体环境中受到循环拉压交替载荷的实验装置，其特征在于：所述腐蚀介质为模拟体液或模拟血浆溶液。
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