CN107643225A - 一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统及其制作方法，腐蚀系统包括主盒和从盒，主盒顶部盖设有防止飞溅盖，防止飞溅盖底部加工有凹槽，从盒上还开设有从盒入口和从盒出口，从盒入口的其中一端通过管道与主盒进液口连通，从盒入口的另一端通过管道与低功率水泵连接，主盒出液口和从盒出口均通过管道与过滤装置连接，过滤装置通过管道与腐蚀液容器连接，腐蚀液容器上盖设有腐蚀液容器盖，低功率水泵安装在腐蚀液容器盖上。本发明设计采用主盒和从盒并且改变其内材质特性，使得可在较短时间内调节腐蚀液进出平衡，设计有防止飞溅盖盖设在腐蚀液面，既没有污染腐蚀液，也避免了处在高速旋转试样带动下的腐蚀液飞溅。
Description
技术领域
本发明涉及试验环境系统领域，尤其是涉及一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统及其制作方法。
背景技术
对于轴系金属及其合金，在腐蚀环境（如海水、盐水、油类等）中服役时，不可避免会存在腐蚀环境与旋转弯曲应力共同作用下的腐蚀疲劳失效风险。因此，考核以上金属及其合金腐蚀环境中旋转弯曲加载方式下的腐蚀疲劳性能，具有重要意义。国标GB/T 4337-2008《金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法》，适用于金属材料在室温和高温空气中试样旋转弯曲条件下的疲劳试验，在腐蚀环境下也可以参考使用。然而，标准中并没有提及腐蚀系统的设计及其应用方法。发明专利“测量腐蚀液中疲劳裂纹扩展速率的试样及其试验方法（ZL2004100605693）”提到的腐蚀系统，是在轴向加载方式下设计的；实用新型专利“一种用于低周疲劳试验的简易腐蚀装置（ZL20112006407.6）”，主要适用于悬臂弯曲加载方式下的腐蚀环境应用。旋转弯曲加载方式和轴向加载方式及悬臂弯曲加载方式最大的不同，是试样在腐蚀液与应力共同作用下高速旋转（转速一般不低于3000rpm），这样就会带来两个问题：一个是试样由于高速旋转会使腐蚀液飞溅而出，溅出的腐蚀液既可能腐蚀试验机，也可能在长时间工作时因溅出减少而改变试样的环境状态（如使试样从腐蚀环境中改变为液气混合状态或空气状态下）。另一个问题是，腐蚀环境盒的设计不当（按照文献中设计的方法），一方面使得腐蚀液进出平衡调节困难，难以形成稳定的腐蚀液循环环境；另一方面，常常会使试样在高速旋转过程中，触碰环境盒，这样就常常会出现试样在夹持部分与工作段过渡处疲劳断裂失效的现象，从而使试验数据无效。相关文献也提到过有关旋转弯曲加载方式下腐蚀环境盒的设计方法，但试验效果仍然存在以上诸多问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术中进行旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验时使用的腐蚀系统会改变试验环境，造成试样无效断裂，从而影响试验结果的问题，提供一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统及其制作方法。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：
一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统，包括无顶无底的长方体状的主盒和无顶的长风体状从盒，主盒粘结在从盒内部，主盒其中相互平行的两侧壁上开设有主盒进液口和主盒出液口，主盒的另外两个侧壁上开设有一对相互对称的用于穿过试样的U形凹槽，主盒的外侧壁靠近U形凹槽处固定有一对挡板，挡板靠近U形凹槽处加工有四分之一圆弧，两个挡板的圆弧配合U形凹槽底部围绕形成穿越试样的圆孔状结构以便于试样在主盒内腐蚀液中旋转同时减少此处腐蚀液的泄露，主盒进液口最高点低于主盒出液口的最低点，主盒出液口的最低点高于圆孔状结构的最高点，主盒顶部盖设有由非金属多孔材料制成的防止飞溅盖，防止飞溅盖底部加工有凹槽，凹槽的长度方向与试样的长度方向平行，凹槽的宽度大于试样的直径，从盒上还开设有从盒入口和从盒出口，从盒入口的其中一端通过管道与主盒进液口连通，从盒入口的另一端通过管道与低功率水泵连接以便于为主盒提供腐蚀溶液，主盒出液口和从盒出口均通过管道与过滤装置连接以便于过滤试验过程中可能产生的锈蚀产物，过滤装置通过管道与腐蚀液容器连接以便于将处理后的腐蚀液再利用，腐蚀液容器上盖设有腐蚀液容器盖以避免腐蚀液的挥发，低功率水泵安装在腐蚀液容器盖上，低功率水泵与从盒入口连接的管道上还安装有用于控制流速的小型水控装置。
制作所述的一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统的方法，包括如下步骤：
步骤一、根据旋转弯曲疲劳试验机试样夹具的有效空间，并结合试样平行段与夹持部分过渡处的直径D，设计加工腐蚀循环系统主盒所需的各硬质非金属板四块，每块板材板厚为3mm～5mm，选取每块板材板宽度一样，其中，两块板长度相等并大于另外两块板的长度，长度较短的板的长度相等；
步骤二、取步骤一中确定的两块长度较长的板材，两块板均在垂直于长度方向上加工U形凹槽，U形凹槽的圆弧段直径比步骤一中的D大0.5mm～1mm，U形凹槽的深度为板高的一半；取步骤一中确定的两块长度较短的板材，其中一个加工主盒进液口，位于板材高度的1/3处，另一个加工主盒出液口，位于另1块板高度的2/3处，主盒进液口和主盒出液口的直径为5mm～10mm；
步骤三、粘结主盒、采用胶粘剂将步骤二中四块板材进行粘结，形成无顶无底的长方体状主盒，粘结的过程中适当用力挤压，以便粘结牢靠；
步骤四、结合旋转弯曲疲劳试验机试样夹具所在台面大小，设计加工从盒的五块非金属硬质材料板，五块板材厚度均为3mm～5mm，其中四块的宽度相同，其中两块长度相同并大于另外两块的长度，长度较短的两个长度也相同，在两个长度较短的板材的几何中心处分别加工从盒入口和从盒出口，从盒入口和从盒出口的直径为5mm～10mm，宽度相同的四块板材首尾相连围绕组成一个矩形，另外一块板材的长度和宽度与该矩形的长度和宽度相等；
步骤五、粘结从盒、采用胶粘剂，以步骤四中宽度不同于其他板材的为底板，其余四块为边板，形成无顶的长方体状从盒；
步骤六、取步骤三中的主盒和步骤五中的从盒，用胶粘剂将主盒粘结在从盒底板的中心位置，制成主盒和从盒组合件；
步骤七、取软质非金属透明材料制成两块大小和形状均相同的挡板，挡板厚度为1mm-3mm，挡板采用软质非金属透明材料（如塑料等），挡板形状为其中一个角处加工有四分之一圆弧的长方形板材，四分之一圆弧的直径等于步骤二中所述的U形凹槽的圆弧段直径，将挡板牢靠地粘结在步骤六中主盒和从盒组合件上主盒的外侧壁上，挡板配合U形凹槽形成圆孔状结构，并确保挡板与主盒中间没有气泡；
步骤八、将步骤七中处理后的主盒和从盒组合件，放置24小时后，试水，如发现某处漏水，在用适量密封胶补封，如无漏水处，便算完工；
步骤九、取具有吸附溶液特性的材料制成防止飞溅盖，防止飞溅盖为长方体状结构，防止飞溅盖的底面面积小于步骤八中主盒的顶面面积，防止飞溅盖的底面加工有凹槽，凹槽的深度为防止飞溅盖厚度的一半，凹槽的宽度为步骤一中D的2～3倍，1）防止飞溅盖的材料比水轻，能浮于水上，同时能够吸附喷溅的液体（如海绵等）；
（2）防止飞溅盖为了有效吸附喷溅的液体，避免腐蚀液喷溅出去，防止飞溅盖应设计得比腐蚀环境盒主盒的上方液面略小；
（3）防止飞溅盖为了避免储液材料接触试样，发生试样无效断裂情况的发生，需要将防止飞溅盖与试样临近的部分掏空即为凹槽501；
步骤十；取步骤九中的防止飞溅盖盖设在步骤八中的主盒上，并取过滤装置、管道、腐蚀液容器、腐蚀液容器上盖、低功率水泵和小型水控装置，从盒入口一端通过管道与主盒进液口连通，从盒入口的另一端通过管道与低功率水泵连接，主盒出液口和从盒出口均通过管道与过滤装置，过滤装置通过管道与腐蚀液容器连接，低功率水泵安装在腐蚀液容器盖上，小型水控装置安装在低功率水泵与从盒入口连接的管道上从而构成腐蚀系统，制作完成。
所述的步骤三、步骤五、步骤六中胶粘剂为四氯甲烷。
所述的步骤八中的密封胶为玻璃胶，玻璃胶由硅酸钠、醋酸及有机性硅酮组成。
腐蚀循环系统的应用如下：
（1）腐蚀系统制作完成后，将主盒、从盒组合体固定在试验机的台面上，确保试样安装方便；
（2）安装试样。在安装试样过程中，不得损坏从盒和主盒构成的腐蚀环境盒；
（3）连接整个腐蚀循环系统；
（4）打开低功率水泵电机电源，观察整个腐蚀系统，确保任何环节无渗漏现象；调节水流控制装置，确保水流正常流动，持续、稳定、动态循环，试样完全浸没于腐蚀液中；
（5）将设计好的防止飞溅盖悬浮于试样的上方，注意不得接触试样；
（6）腐蚀系统正常后，打开试验机电源，启动试验机，开始试验，并观察试验初期是否正常，确保正常后，试验人员方可离开现场。
本发明的有益效果是：本发明采用软、硬质非金属材料相结合的方法制作主盒和从盒，对于主盒内的腐蚀液，可在较短时间内调节腐蚀液进出平衡，避免试样因与腐蚀环境盒触碰而引起无效断裂；同时，选用设计有防止飞溅盖盖设在腐蚀液面，既没有污染腐蚀液，也避免了处在高速旋转试样带动下的腐蚀液飞溅，同时开设有凹槽，避免接触试样，整个腐蚀系统设计简单、适用，可提供持续、稳定、循环的动态腐蚀环境，满足各类轴系金属及合金处在旋转弯曲动态力作用下腐蚀环境中抗腐蚀疲劳性能的试验需要，从而为其工程设计及疲劳校核提供真实、有效的试验数据。
附图说明
图1为本发明中腐蚀系统结构示意图。
图2为本发明中主盒和从盒组合状态下结构示意图。
图3为本发明中主盒U形凹槽和挡板配合形成圆孔状结构的结构示意图。
图4为本发明中防止飞溅盖的结构示意图。
图示标记：1、主盒；101、主盒进液口；102、U形凹槽；103、主盒出液口；2、从盒；201、从盒入口；202、从盒出口；3、试样；4、挡板；5、防止飞溅盖；6、腐蚀液容器；7、腐蚀液；8、腐蚀液容器盖；9、低功率水泵；10、小型水控装置；11、过滤装置。
具体实施方式
图中所示，具体实施方式如下：
一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统，包括无顶无底的长方体状的主盒1和无顶的长风体状从盒2，主盒1粘结在从盒2内部，主盒1其中相互平行的两侧壁上开设有主盒进液口101和主盒出液口103，主盒1的另外两个侧壁上开设有一对相互对称的用于穿过试样3的U形凹槽102，主盒1的外侧壁靠近U形凹槽102处固定有一对挡板4，挡板4靠近U形凹槽102处加工有四分之一圆弧，两个挡板4的圆弧配合U形凹槽102底部围绕形成穿越试样的圆孔状结构以便于试样在主盒内腐蚀液中旋转同时减少此处腐蚀液的泄露，主盒进液口101最高点低于主盒出液口103的最低点，主盒出液口103的最低点高于圆孔状结构的最高点，主盒1顶部盖设有由非金属多孔材料制成的防止飞溅盖5，防止飞溅盖5底部加工有凹槽501，凹槽501的长度方向与试样3的长度方向平行，凹槽501的宽度大于试样3的直径，从盒2上还开设有从盒入口201和从盒出口202，从盒入口201的其中一端通过管道与主盒进液口101连通，从盒入口201的另一端通过管道与低功率水泵9连接以便于为主盒1提供腐蚀溶液，主盒出液口103和从盒出口202均通过管道与过滤装置11连接以便于过滤试验过程中可能产生的锈蚀产物，过滤装置11通过管道与腐蚀液容器6连接以便于将处理后的腐蚀液再利用，腐蚀液容器6上盖设有腐蚀液容器盖8以避免腐蚀液的挥发，低功率水泵9安装在腐蚀液容器盖8上，低功率水泵9与从盒入口201连接的管道上还安装有用于控制流速的小型水控装置10。
制作所述的一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统的方法，包括如下步骤：
步骤一、根据旋转弯曲疲劳试验机试样夹具的有效空间，并结合试样平行段与夹持部分过渡处的直径D，设计加工腐蚀循环系统主盒所需的各硬质非金属板四块，每块板材板厚为3mm～5mm，选取每块板材板宽度一样，其中，两块板长度相等并大于另外两块板的长度，长度较短的板的长度相等；
步骤二、取步骤一中确定的两块长度较长的板材，两块板均在垂直于长度方向上加工U形凹槽，U形凹槽的圆弧段直径比步骤一中的D大0.5mm～1mm，U形凹槽的深度为板高的一半；取步骤一中确定的两块长度较短的板材，其中一个加工主盒进液口，位于板材高度的1/3处，另一个加工主盒出液口，位于另1块板高度的2/3处，主盒进液口和主盒出液口的直径为5mm～10mm；
步骤三、粘结主盒、采用四氯甲烷将步骤二中四块板材进行粘结，形成无顶无底的长方体状主盒，粘结的过程中适当用力挤压，以便粘结牢靠；
步骤四、结合旋转弯曲疲劳试验机试样夹具所在台面大小，设计加工从盒的五块非金属硬质材料板，五块板材厚度均为3mm～5mm，其中四块的宽度相同，其中两块长度相同并大于另外两块的长度，长度较短的两个长度也相同，在两个长度较短的板材的几何中心处分别加工从盒入口和从盒出口，从盒入口和从盒出口的直径为5mm～10mm，宽度相同的四块板材首尾相连围绕组成一个矩形，另外一块板材的长度和宽度与该矩形的长度和宽度相等；
步骤五、粘结从盒、采用四氯甲烷，以步骤四中宽度不同于其他板材的为底板，其余四块为边板，形成无顶的长方体状从盒；
步骤六、取步骤三中的主盒和步骤五中的从盒，用四氯甲烷将主盒粘结在从盒底板的中心位置，制成主盒和从盒组合件；
步骤七、取软质非金属透明材料制成两块大小和形状均相同的挡板，挡板厚度为1mm-3mm，挡板采用软质非金属透明材料，挡板形状为其中一个角处加工有四分之一圆弧的长方形板材，四分之一圆弧的直径等于步骤二中所述的U形凹槽的圆弧段直径，将挡板牢靠地粘结在步骤六中主盒和从盒组合件上主盒的外侧壁上，挡板配合U形凹槽形成圆孔状结构，并确保挡板与主盒中间没有气泡；
步骤八、将步骤七中处理后的主盒和从盒组合件，放置24小时后，试水，如发现某处漏水，在用适量玻璃胶补封，如无漏水处，便算完工；
步骤九、取具有吸附溶液特性的材料制成防止飞溅盖，防止飞溅盖为长方体状结构，防止飞溅盖的底面面积小于步骤八中主盒的顶面面积，防止飞溅盖的底面加工有凹槽，凹槽的深度为防止飞溅盖厚度的一半，凹槽的宽度为步骤一中D的2～3倍;
步骤十；取步骤九中的防止飞溅盖盖设在步骤八中的主盒上，并取过滤装置、管道、腐蚀液容器、腐蚀液容器盖、低功率水泵和小型水控装置，从盒入口一端通过管道与主盒进液口连通，从盒入口的另一端通过管道与低功率水泵连接，主盒出液口和从盒出口均通过管道与过滤装置，过滤装置通过管道与腐蚀液容器连接，低功率水泵安装在腐蚀液容器盖上，小型水控装置安装在低功率水泵与从盒入口连接的管道上从而构成腐蚀系统，制作完成。
腐蚀循环系统的应用如下：
（1）腐蚀系统制作完成后，将主盒、从盒组合体固定在试验机的台面上，确保试样安装方便；
（2）安装试样。在安装试样过程中，不得损坏从盒和主盒构成的腐蚀环境盒；
（3）连接整个腐蚀循环系统；
（4）打开低功率水泵电机电源，观察整个腐蚀系统，确保任何环节无渗漏现象；调节水流控制装置，确保水流正常流动，持续、稳定、动态循环，试样完全浸没于腐蚀液中；
（5）将设计好的防止飞溅盖悬浮于试样的上方，注意不得接触试样；
（6）腐蚀系统正常后，打开试验机电源，启动试验机，开始试验，并观察试验初期是否正常，确保正常后，试验人员方可离开现场。
采用以上设计制作的旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验的腐蚀系统，进行了海水腐蚀环境下高阻尼GZ50铜合金的旋转弯曲腐蚀疲劳试验，试样转速为3000rpm,负荷产生的弯距为(6～60)N·m。试验结果见表1。
表1 试验结果
表1中，完成的八件试样全部断在试样的工作区，均为有效结果。
试验过程表明，旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验的腐蚀系统较好地满足了试验要求，循环海水可以较快地调节平衡，腐蚀系统没有发生海水泄漏的情况和海水溅出情况。表1中试验结果表明，本发明建立的腐蚀疲劳试验的腐蚀系统能够提供持续不断的流动海水，模拟了真实的海水环境，可以满足进行旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验的需要。
本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统，其特征在于：包括无顶无底的长方体状的主盒（1）和无顶的长风体状从盒（2），主盒（1）粘接在从盒（2）内部，主盒（1）其中相互平行的两侧壁上开设有主盒进液口（101）和主盒出液口（103），主盒（1）的另外两个侧壁上开设有一对相互对称的用于穿过试样（3）的U形凹槽（102），主盒（1）的外侧壁靠近U形凹槽（102）处固定有一对挡板（4），挡板（4）靠近U形凹槽（102）处加工有四分之一圆弧，两个挡板（4）的圆弧配合U形凹槽（102）底部围绕形成穿越试样的圆孔状结构以便于试样在主盒内腐蚀液中旋转同时减少此处腐蚀液的泄露，主盒进液口（101）最高点低于主盒出液口（103）的最低点，主盒出液口（103）的最低点高于圆孔状结构的最高点，主盒（1）顶部盖设有由非金属多孔材料制成的防止飞溅盖（5），防止飞溅盖（5）底部加工有凹槽（501），凹槽（501）的长度方向与试样（3）的长度方向平行，凹槽（501）的宽度大于试样（3）的直径，从盒（2）上还开设有从盒入口（201）和从盒出口（202），从盒入口（201）的其中一端通过管道与主盒进液口（101）连通，从盒入口（201）的另一端通过管道与低功率水泵（9）连接以便于为主盒（1）提供腐蚀溶液，主盒出液口（103）和从盒出口（202）均通过管道与过滤装置（11）连接以便于过滤试验过程中可能产生的锈蚀产物，过滤装置（11）通过管道与腐蚀液容器（6）连接以便于将处理后的腐蚀液再利用，腐蚀液容器（6）上盖设有腐蚀液容器盖（8）以避免腐蚀液的挥发，低功率水泵（9）安装在腐蚀液容器盖（8）上，低功率水泵（9）与从盒入口（201）连接的管道上还安装有用于控制流速的小型水控装置（10）。
2.制作权利要求1所述的一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、根据旋转弯曲疲劳试验机试样夹具的有效空间，并结合试样平行段与夹持部分过渡处的直径D，设计加工腐蚀循环系统主盒所需的各硬质非金属板四块，每块板材板厚为3mm～5mm，选取每块板材板宽度一样，其中，两块板长度相等并大于另外两块板的长度，长度较短的板的长度相等；
步骤二、取步骤一中确定的两块长度较长的板材，两块板均在垂直于长度方向上加工U形凹槽，U形凹槽的圆弧段直径比步骤一中的D大0.5mm～1mm，U形凹槽的深度为板高的一半；取步骤一中确定的两块长度较短的板材，其中一个加工主盒进液口，位于板材高度的1/3处，另一个加工主盒出液口，位于另1块板高度的2/3处，主盒进液口和主盒出液口的直径为5mm～10mm；
步骤三、粘结主盒、采用胶粘剂将步骤二中四块板材进行粘结，形成无顶无底的长方体状主盒，粘结的过程中适当用力挤压，以便粘结牢靠；
步骤四、结合旋转弯曲疲劳试验机试样夹具所在台面大小，设计加工从盒的五块非金属硬质材料板，五块板材厚度均为3mm～5mm，其中四块的宽度相同，其中两块长度相同并大于另外两块的长度，长度较短的两个长度也相同，在两个长度较短的板材的几何中心处分别加工从盒入口和从盒出口，从盒入口和从盒出口的直径为5mm～10mm，宽度相同的四块板材首尾相连围绕组成一个矩形，另外一块板材的长度和宽度与该矩形的长度和宽度相等；
步骤五、粘结从盒、采用胶粘剂，以步骤四中宽度不同于其他板材的为底板，其余四块为边板，形成无顶的长方体状从盒；
步骤六、取步骤三中的主盒和步骤五中的从盒，用胶粘剂将主盒粘结在从盒底板的中心位置，制成主盒和从盒组合件；
步骤七、取软质非金属透明材料制成两块大小和形状均相同的挡板，挡板厚度为1mm-3mm，挡板采用软质非金属透明材料，挡板形状为其中一个角处加工有四分之一圆弧的长方形板材，四分之一圆弧的直径等于步骤二中所述的U形凹槽的圆弧段直径，将挡板牢靠地粘结在步骤六中主盒和从盒组合件上主盒的外侧壁上，挡板配合U形凹槽形成圆孔状结构，并确保挡板与主盒中间没有气泡；
步骤八、将步骤七中处理后的主盒和从盒组合件，放置24小时后，试水，如发现某处漏水，在用适量密封胶补封，如无漏水处，便算完工；
步骤九、取具有吸附溶液特性的材料制成防止飞溅盖，防止飞溅盖为长方体状结构，防止飞溅盖的底面面积小于步骤八中主盒的顶面面积，防止飞溅盖的底面加工有凹槽，凹槽的深度为防止飞溅盖厚度的一半，凹槽的宽度为步骤一中D的2～3倍;
步骤十；取步骤九中的防止飞溅盖盖设在步骤八中的主盒上，并取过滤装置、管道、腐蚀液容器、腐蚀液容器盖、低功率水泵和小型水控装置，从盒入口一端通过管道与主盒进液口连通，从盒入口的另一端通过管道与低功率水泵连接，主盒出液口和从盒出口均通过管道与过滤装置，过滤装置通过管道与腐蚀液容器连接，低功率水泵安装在腐蚀液容器盖上，小型水控装置安装在低功率水泵与从盒入口连接的管道上从而构成腐蚀系统，制作完成。
3.根据权利要求2所述的制作一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统的方法，其特征在于：所述的步骤三、步骤五、步骤六中胶粘剂为四氯甲烷。
4.根据权利要求2所述的制作一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统的方法，其特征在于：所述的步骤八中的密封胶为玻璃胶。
5.根据权利要求4所述的制作一种旋转弯曲加载腐蚀疲劳试验用腐蚀系统的方法，其特征在于：所述的玻璃胶由硅酸钠、醋酸及有机性硅酮组成。
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