CN107449724A - 用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置以及试验方法 - Google Patents

Abstract

用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置以及试验方法，通过制作加载装置、预加载、进行加载与试验。加载装置设置框形加载框架，在加载框架的上部开设有立方体孔，上插销加载段通过立方体孔伸入加载框架内，伸入加载框架内的上插销加截段上开设有与试样夹持段A相匹配的卡槽A，位于加载框架的外部的螺纹段的端头处安装旋转螺母、垫片A、弹簧、垫片B，下插销的一端的形状与通孔相匹配，并通过通孔伸入加载框架内，插销的另一端的直径大于通孔，伸入加载框架内下插销上开设与试样夹持段B相匹配的卡槽B；板材试样的两端卡在卡槽A和卡槽B上，通过扭动旋转螺母进行加载，不会产生扭矩，通过已知弹性系数的弹簧，加载大小可调。

Description

用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置以及试验方法

技术领域

本发明涉及腐蚀试验方法，具体说的是用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置以及试验方法。

背景技术

金属板材在建筑、交通运输、航空航天以及海洋工程等大型工程中应用十分广泛，在长期服役环境下，金属板材易受到腐蚀、疲劳及其联合作用产生损伤而失效。鉴于板材的成型方式，一般而言，其腐蚀性能最弱向是厚度方向即短横向，因此，短横向的性能数据最具有研究及使用价值。另外，在实验室进行模拟工况试验通常达不到理想的服役条件，进行室内加速腐蚀又只能定性分析其失效趋势，不能与其在实际服役环境下的腐蚀情况一一对应。如铝合金板材在南方潮湿环境下，高向表面会逐渐形成点蚀，慢慢发展成晶间腐蚀，长时间甚至能形成剥层，这与金属板材晶粒沿纵向拉长分布有关。又如船用钛合金板材在深海环境下服役，其服役寿命能否超过25年，是否与浅海服役失效情况类似，采用室内加速腐蚀并不易解决这个问题。因此，对金属板材短横向试样进行加载来研究其在服役环境下的腐蚀性能显得十分必要。然而，由于板材厚度限制，测试厚度方向性能存在一定的不可操作性，如：对40mm厚铝合金板材短横向进行加载恒应力100MPa条件下的腐蚀试验，在厚度方向无法截取标准拉伸试样，只能加工尺寸极小的比例试样，由于测试夹具的不适用性，在试验机上进行模拟工况腐蚀是不可能完成的，在实际服役条件下进行试验难度更大。研究者只能在纵向或者长横向截取相应试样进行测试，板材高向的性能数据有一定的缺失，也缺乏积累，降低了材料性能数据的完整性，不能更准确地指导材料性能改进。

金属板材在纵向、长横向和短横向的晶粒结构有一定的差别，表现在宏观性能上即存在各向异性，在对短横向试样进行加载时，采用螺纹连接圆棒状试样显得较为简单，然而，圆棒试样并不能更精确的显示试样在纵向和长横向在相同环境下的细微差别。若采用板状试样，板状试样平行段的长宽不一致，平行段的“大表面”则能代表纵向或者长横向，可以考察二者在加载过程中表现的细微差别。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置以及试验方法，解决由于金属板材厚度限制，板材短横向往往无法加工标准拉伸试样，在试验机上无法加载以及在实验室进行模拟工况试验通常达不到理想的服役条件等问题。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置，包括板材试样，板材试样一体结构，其由中间段的试样工作段和试样工作段两端的试样夹持段A、试样夹持段B组成，还包括加载框架、上插销、下插销、旋转螺母与弹簧，加载框架为正框型结构，在加载框架的上部开设有立方体孔，在加载框架的下部开设有通孔，通孔与立方体孔处于一条直线上，所述的上插销的一端为上插销加载段，其另一端为螺纹段，上插销加载段的形状与立方体孔相匹配，上插销加载段通过立方体孔伸入加载框架内，伸入加载框架内的上插销加载段上开设有用于卡设试样夹持段A的卡槽A，螺纹段位于加载框架的外部，在螺纹段的端头处安装有旋转螺母，在旋转螺母与加载框架之间的螺纹段上从上至下依次套设有垫片A、弹簧、垫片B，垫片A的直径大于弹簧的直径，垫片B的直径大于立方体孔的孔径，所述的下插销的一端的形状与通孔相匹配，下插销的另一端的直径大于通孔，下插销的与通孔相匹配的一端通过通孔伸入加载框架内，伸入加载框架内下插销上开设有用于卡设试样夹持段B的卡槽B。

本发明所述的试样夹持段A、试样夹持端B与试样工作段的过渡为平滑过渡。

本发明所述的试样夹持段A的厚度和试样夹持段B的厚度与宽度大于试样工作段的厚度与宽度。

用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、制作加载装置

设置框形加载框架，在加载框架的上部开设有立方体孔，在加载框架的下部开设有通孔，上插销加载段通过立方体孔伸入加载框架内，伸入加载框架内的上插销加载段上开设有与试样夹持段A相匹配的卡槽A，位于加载框架的外部的螺纹段的端头处安装有旋转螺母，在旋转螺母与加载框架之间的螺纹段上从上至下依次套上垫片A、弹簧、垫片B，下插销的一端的形状与通孔相匹配，并通过通孔伸入加载框架内，插销的另一端的直径大于通孔，伸入加载框架内下插销上开设与试样夹持段B相匹配的卡槽B；

步骤二、预加载

根据板材试样工作段尺寸和所受应力，计算达到所需加载力的弹簧变形量，将板材试样的试样夹持段A安装在卡槽A、试样夹持段B安装在卡槽B内，轻微扭动旋转螺母，改变弹簧变形量，使板材试样的中心与上销轴的中心线、下销轴的中心线处于一条直线上；

步骤三、加载与试验

再次扭动旋转螺母，使弹簧达到计算的所需加载力的弹簧变形量，即完成加载，加载完成后，对夹具非试样工作段部分进行石蜡封装，放置在间浸试验机上或者服役环境下进行相应试验。

本发明有益效果是：适合34mm厚及以上的金属板材短横向板状试样在服役环境下的腐蚀试验，特殊的卡槽和插销结构使试样对中性好，不会产生扭矩，通过已知弹性系数的弹簧和准确测定弹簧变形量对试样进行准确加载，加载大小可调。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视剖面示意图；

图3为本发明的卡槽A的结构示意图；

图4为本发明的卡槽A的侧视结构示意图；

图中：1、旋转螺母，2、垫片A、3、弹簧，4、垫片B，5、加载框架，6、上插销，601、螺纹段，602、上插销加载段，7、板材试样，701、试样夹持段A，702、试样工作段，703、试样夹持段B，8、下插销，9、卡槽A，10卡槽B。

具体实施方式

如图1所示，用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置，包括板材试样7，板材试样7为一体结构，其由中间段的试样工作段702和试样工作段702两端的试样夹持段A701、试样夹持段B703组成，还包括加载框架5、上插销6、下插销8、旋转螺母1与弹簧3。

加载框架5为正框型结构，在加载框架5的上部开设有立方体孔，在加载框架5的下部开设有通孔，通孔与立方体孔处于一条直线上，通孔可采用立方体孔也可采用圆柱形孔，上部开设的立方体孔防止上插销在加载时扭转。

所述的上插销6的一端为上插销加载段602，其另一端为螺纹段601，上插销加载段602的形状与立方体孔相匹配，其形状的匹配为上插销加载段602的外立面与立方体孔的内壁完全贴合无间隙，上插销加载段602穿过立方体孔伸入加载框架5内，伸入加载框架5内的上插销加载段602上开设有与试样夹持段A701相匹配的卡槽A9，如图4所示，卡槽A9从上插销加载段602的底面向上开设，在上插锁加载段602的侧面为卡槽A9的放置口，底面上的开口为试样工作段的出口，卡槽A9与试样夹持段A701的匹配为，当卡槽A9内卡设有试样夹持段A，试样夹持段A卡设在卡槽A9内，不会晃动但可以取出，螺纹段601位于加载框架5的外部，在螺纹段601的端头处安装有旋转螺母1，在旋转螺母1与加载框架5之间的螺纹段601上从上至下依次套设有垫片A2、弹簧3、垫片B4，垫片A2的直径大于弹簧3的直径，垫片B4的直径大于立方体孔的孔径，当旋转螺母1会带动上插销向上运动，但由于弹簧3、垫片A、垫片B的作用，只会压缩弹簧3，对试样夹持段A701提供向上的拉力。

所述的下插销8的一端的形状与通孔相匹配，其形状的匹配为下插销的外圆周面与通孔的内壁完全贴合无间隙，下插销8的另一端的直径大于通孔，当下插销8的与通孔相匹配的一端通过通孔伸入加载框架5内，伸入加载框架5内下插销8上开设与试样夹持段B703相匹配的卡槽B10，下插销8的另一端顶在加载框架5的底面上，卡槽B10从下插销的顶面向下开设，卡槽B10与卡槽A9对称，开设原理与卡槽A9相同。

试样夹持段A701与试样工作段702的过渡为平滑过渡，防止试样端头发生应力集中而失效，在两个平滑过渡之间的部分为试样平行段，该段截面为长方体。

试样夹持段A701的厚度和试样夹持段B703的厚度与宽度大于试样工作段702的厚度与宽度，防止在加载过程中夹持端不会变形，影响加载数据。

以40mm厚7050铝合金板材间浸试验为例，在腐蚀试验机上测试的试样长度需在150mm以上，高向不能满足试样尺寸要求，那么采用这样一种试验方法，用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、制作加载装置

设置框形加载框架，在加载框架的上部开设有立方体孔，在加载框架的下部开设有通孔，上插销加载段通过立方体孔伸入加载框架内，伸入加载框架内的上插销加载段上开设有与试样夹持段A相匹配的卡槽A，位于加载框架的外部的螺纹段的端头处安装有旋转螺母，在旋转螺母与加载框架之间的螺纹段上从上至下依次套上垫片A、已知弹性系数k的弹簧、垫片B，下插销的一端的形状与通孔相匹配，并通过通孔伸入加载框架内，插销的另一端的直径大于通孔，伸入加载框架内下插销上开设与试样夹持段B相匹配的卡槽B；

步骤二、预加载

根据板材试样工作段尺寸和所受应力，利用胡克定律（即F=kx）对试样进行加载：1）测量试样工作段尺寸，根据受力条件计算试样所受拉应力F；2）通过螺母压缩弹簧（严格控制弹簧变形量x），计算达到所需加载力的弹簧变形量，将板材试样的试样夹持段A安装在卡槽A、试样夹持段B安装在卡槽B内，轻微扭动旋转螺母，改变弹簧变形量，使板材试样的中心与上销轴的中心线、下销轴的中心线处于一条直线上；

步骤三、加载与试验

再次扭动旋转螺母，使弹簧达到计算的所需加载力的弹簧变形量，即完成加载，加载完成后，对夹具非试样工作段部分进行石蜡封装，放置在间浸试验机上或者服役环境下进行相应试验。

表1为实施例试样参数要求及加载参数

实施例1：某304钢板，规格为38mm厚，长期承受100MPa左右的应力，在板材短横向（厚度方向）取一微小板拉伸试样，夹持端尺寸为10（宽）×2（厚）mm，试样平行段尺寸为5（宽）×1（厚）mm，平行段长度为14mm，加载应力100MPa，经计算可得加载拉力为500N，已知不锈钢弹簧规格为4×22×70mm×8（线径×外径×长度×圈数），可计算弹簧变形量约为9.3mm，加载完成后对非试样平行段部分进行石蜡封装。将加载后的夹具放置在服役环境或试验室环境下，可定期观察试样变化行为。

实施例2：某7xxx系铝合金板，规格为40mm厚，按照客户要求需在加载241MPa条件下进行间浸试验，在板材高向取一微小拉伸试样，夹持端尺寸为10×2mm，试样平行段尺寸为5×0.7mm，平行段长度为16mm，加载应力241MPa，经计算可得加载拉力为843N，弹簧规格为4×22×70mm×8（线径×外径×长度×圈数），可计算弹簧变形量约为15.9mm，加载完成后对非试样平行段部分进行石蜡封装。将加载后的夹具放置在服役环境或试验室环境下，可定期观察试样变化行为。

Claims (4)

1.用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置，包括板材试样（7），板材试样（7）为一体结构，其由中间段的试样工作段（702）和试样工作段（702）两端的试样夹持段A（701）、试样夹持段B（703）组成，其特征在于：还包括加载框架（5）、上插销（6）、下插销（8）、旋转螺母（1）与弹簧（3），加载框架（5）为正框型结构，在加载框架（5）的上部开设有立方体孔，在加载框架（5）的下部开设有通孔，通孔与立方体孔处于一条直线上，所述的上插销（6）的一端为上插销加载段（602），其另一端为螺纹段（601），上插销加载段（602）的形状与立方体孔相匹配，上插销加载段（602）通过立方体孔伸入加载框架（5）内，伸入加载框架（5）内的上插销加载段（602）上开设有用于卡设试样夹持段A（701）的卡槽A（9），螺纹段（601）位于加载框架（5）的外部，在螺纹段（601）的端头处安装有旋转螺母（1），在旋转螺母（1）与加载框架（5）之间的螺纹段（601）上从上至下依次套设有垫片A（2）、弹簧（3）、垫片B（4），垫片A（2）的直径大于弹簧（3）的直径，垫片B（4）的直径大于立方体孔的孔径，所述的下插销（8）的一端的形状与通孔相匹配，下插销（8）的另一端的直径大于通孔，下插销（8）的与通孔相匹配的一端通过通孔伸入加载框架（5）内，伸入加载框架（5）内下插销（8）上开设有用于卡设试样夹持段B（703）的卡槽B（10）。

2.如权利要求1所述的用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置，其特征在于：所述的试样夹持段A（701）、试样夹持端B（703）与试样工作段（702）的过渡为平滑过渡。

3.如权利要求1所述的用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置，其特征在于：所述的试样夹持段A（701）的厚度和试样夹持段B（703）的厚度与宽度大于试样工作段（702）的厚度与宽度。

4.如权利要求1所述的用于对金属板材短横向的腐蚀试验加载装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、制作加载装置

设置框形加载框架，在加载框架的上部开设有立方体孔，在加载框架的下部开设有通孔，上插销加载段通过立方体孔伸入加载框架内，伸入加载框架内的上插销加载段上开设有与试样夹持段A相匹配的卡槽A，位于加载框架的外部的螺纹段的端头处安装有旋转螺母，在旋转螺母与加载框架之间的螺纹段上从上至下依次套上垫片A、弹簧、垫片B，下插销的一端的形状与通孔相匹配，并通过通孔伸入加载框架内，插销的另一端的直径大于通孔，伸入加载框架内下插销上开设与试样夹持段B相匹配的卡槽B；

步骤二、预加载

根据板材试样工作段尺寸和所受应力，计算达到所需加载力的弹簧变形量，将板材试样的试样夹持段A安装在卡槽A、试样夹持段B安装在卡槽B内，轻微扭动旋转螺母，改变弹簧变形量，使板材试样的中心与上销轴的中心线、下销轴的中心线处于一条直线上；

步骤三、加载与试验

再次扭动旋转螺母，使弹簧达到计算的所需加载力的弹簧变形量，即完成加载，加载完成后，对夹具非试样工作段部分进行石蜡封装，放置在间浸试验机上或者服役环境下进行相应试验。