CN108072567B - 一种塑料恒温应力腐蚀实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塑料恒温应力腐蚀实验装置及方法，该实验装置包括恒温装置、腐蚀装置、夹持装置、应力加载系统和蠕变检测系统；所述腐蚀装置设于恒温装置内，所述腐蚀装置内装有腐蚀介质，试样浸泡于该腐蚀介质中；所述夹持装置包括上夹具和下夹具，分别夹持试样的上下两端；所述应力加载系统与夹持装置的上夹具连接，以给试样提供应力作用；所述蠕变检测系统与应力加载系统连接，以检测试样在该应力作用下的蠕变变形量。本发明可同时考察温度、应力与介质共同作用下的材料性能变化，且可同时定量检测材料的蠕变变形，有助于材料应力腐蚀规律和机理的研究和应用开发。

Description

一种塑料恒温应力腐蚀实验装置及方法

技术领域

本发明涉及塑料应力腐蚀试验技术，特别涉及一种塑料恒温老化、蠕变及应力腐蚀试验的实验装置和方法。

背景技术

材料在自然条件或工况条件下，由于与其所处环境介质发生化学或电化学作用引起性能的退化和破坏，这种现象称为腐蚀。

在日常生活和生产环境中，腐蚀现象随处可见，因腐蚀而造成的材料失效比比皆是，对国民经济发展、人类生活和社会环境产生了巨大危害。据统计，各国由于腐蚀破坏造成的年度经济损失约占当年国民经济生产总值的1.5％-4.2％，随各国不同的经济发达程度和腐蚀控制水平而异。根据《中国腐蚀调查报告》，我国近年来的年腐蚀损失约为5000亿元(约占国民经济生产总值的5％)，经济损失数字惊人。除此之外，腐蚀过程和结果也是对地球上有限资源和能源的极大浪费，甚至严重污染自然环境，对正常工业生产和人们生活产生严重干扰，影响社会安全和安定。同时，材料的腐蚀问题还可成为阻碍高新技术发展和国民经济持续发展的重要制约因素。

塑料作为一种高分子材料，由于其质轻、价廉、易成型、连接方便、柔性好等诸多优点，随着高分子材料的快速发展，其应用非常广泛，在工业生产和人们日常生活中“以塑代钢”已成为一种趋势。特别是，大多数塑料相对于金属材料具有较好的耐腐蚀性能，在各类承压设备制造和使用中应用广泛。然而，塑料类高分子材料存在小分子溶剂溶胀甚至溶解的缺陷，并且具有在紫外线、湿度、温度以及大气氧作用下存在分子链断裂的可能；同时，设备腐蚀与材料内部分子间隙和结晶程度有关，材料分子间隙和致密性的不同，可以作用和渗透的介质分子大小不同。

材料的耐蚀性(腐蚀稳定性)是决定系统和部件工作寿命的质量保证参数之一。在设计装备装置或构件时，不能仅考虑材料的机械性能、加工性能和经济因素，往往还应考虑对材料的耐蚀性要求。然而，材料的耐蚀性并不是材料的绝对特性，既取决于材料本身，又取决于介质特性、环境条件极其变化的相对性质。为了了解材料的腐蚀性能，估计材料在腐蚀环境下的使用寿命、确定材料腐蚀对介质的污染程度、开展失效分析、选择防腐措施、研发耐蚀材料、设备腐蚀状态监测、腐蚀规律和机理研究等等，可以通过将材料至于特定腐蚀介质环境下进行腐蚀试验，测定某种材料在特定条件下的耐蚀性能，以掌握材料在该操作条件下的腐蚀行为。

现有塑料腐蚀试验方法一般采用的是塑料耐液体化学试剂性能的测定标准方法，在规定的温度和规定的试验条件下，将试样完全浸泡在装有特定腐蚀液体介质的容器中，对比浸泡前后试样的性能变化来确定材料的耐蚀性。

然而，大多数工业设备或管道，除了与腐蚀介质接触，同时还承受一定的温度和应力。我们知道，在化学腐蚀中，温度和压力会加速化学腐蚀的进行，如果还存在物理腐蚀的话，同样会加速物理腐蚀，降低材料的使用寿命，提前失效。因此，在进行装备(尤其是承压设备)的设计时，不但需要考察材料的耐蚀性，更需要考察材料在腐蚀介质、温度和外力共同作用下的性能劣化规律和机理。为了深入掌握材料与环境所构成腐蚀体系的特性，有必要开展材料与环境发生相互作用而引起的化学、物理(或机械)导致化学损伤过程的材料应力腐蚀试验。

材料在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏通常称为应力腐蚀，强调的是应力和腐蚀的联合作用。在腐蚀过程中，应力集中的部位容易优先遭受腐蚀，材料先出现微裂纹然后再扩展为宏观裂纹，微裂纹一旦形成，其扩展速度比其它类型腐蚀快得多，是破坏性和危害性最大的一种腐蚀。几乎所有的工程、建筑、设备都受到它的威胁。因此，进行应力腐蚀试验研究对确保材料在设计寿命期内安全使用具有重要意义。

然而，目前还没有专门用于研究塑料等非金属材料在不同介质、温度、应力以及时间等多个条件下对于材料应力腐蚀的影响规律。GB/T 11547-2008塑料耐液体化学试剂性能的测定标准仅能开展静态情况下的腐蚀试验，且效率较低、不便考察温度的影响、更无法用于应力腐蚀试验以及蠕变变形的测量，已无法满足现有材料及其应用领域拓展的需要。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，克服现有试验方法存在的问题，提供一种塑料恒温应力腐蚀实验装置及方法，综合考察温度、应力、介质对材料性能的影响规律，并能够记录材料在特定腐蚀介质作用下的蠕变变形，符合新材料开发、工程塑料设备开发设计的需要。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种塑料恒温应力腐蚀实验装置，包括恒温装置、腐蚀装置、夹持装置、应力加载系统和蠕变检测系统；所述腐蚀装置设于恒温装置内，所述腐蚀装置内装有腐蚀介质，试样浸泡于该腐蚀介质中；所述夹持装置包括上夹具和下夹具，分别夹持试样的上下两端；所述应力加载系统与夹持装置的上夹具连接，以给试样提供应力作用；所述蠕变检测系统与应力加载系统连接，以检测试样在该应力作用下的蠕变变形量。

相对于现有技术，本发明综合考虑到塑料高分子材料具有黏弹性、温度敏感性、以及作为防腐设备应用过程中往往会承受压力，因此在试验过程中采用恒温装置提供恒温环境，采用腐蚀装置提供腐蚀介质，利用应力加载系统提供应力作用，通过合理设计将三者有机结合，可同时考察温度、应力与介质共同作用下的材料性能变化，且利用蠕变检测系统可同时定量检测材料的蠕变变形，从而为材料应力腐蚀规律和机理的研究和应用开发提供依据。

进一步地，所述应力加载系统包括支撑座、应力加载杠杆和砝码，所述应力加载杠杆的中部通过所述支撑座支撑，所述应力加载杠杆的一端设有刻度和砝码定位套，另一端设有转向滑轮，所述砝码加载于砝码定位套的底部。应力加载杠杆通过支撑座支撑形成杠杆原理，砝码在应力加载杠杆上的位置通过砝码定位套固定，且应力加载杠杆上设有刻度，可根据需要在砝码相同的情况下，通过调整加载力臂来改变加载的应力大小，不同的位置可产生不同的加载应力。

进一步地，所述应力加载杠杆上还设有调零指针和与所述调零指针对应的刻度盘。应力加载杠杆的初始调平位置或初始位置可通过该调零指针进行调整或记录。

进一步地，所述蠕变检测系统包括测量滑轮、测量滑轮轴和测量滑轮支座，所述测量滑轮支座位于应力加载杠杆上，所述测量滑轮通过测量滑轮轴与测量滑轮支座连接；所述测量滑轮上缠绕有牵引线，且设有刻度；所述测量滑轮支座上设有指针，该指针指向测量滑轮上的刻度。

进一步地，所述测量滑轮支座上还设有锁紧螺丝，所述锁紧螺丝连接测量滑轮。该锁紧螺丝用于取试样时锁紧测量滑轮。

进一步地，所述夹持装置还包括固定销和下夹具连接座，所述夹持装置的下夹具通过固定销与下夹具连接座连接，所述夹持装置的上夹具通过牵引线依次与转向滑轮、测量滑轮连接。根据杠杆原理，在试验开始前，应力加载杠杆调平，调零指针处于平衡点，当试样发生蠕变变形时，会产生明显的伸长，从而应力加载杠杆会产生一个转角，使得调零指针偏离平衡点，适当转动测量滑轮直到调零指针重新回到平衡点，此时，测量滑轮的转动角度和绕入牵引线的长度即反应了试样的蠕变变形量大小，测量滑轮支座上的指针能够显示测量滑轮的转动角度，根据测量滑轮的半径和转动角度可以计算得到试样的蠕变变形量。

进一步地，所述恒温装置包括恒温槽、加热元件、控温器和恒温循环组件；所述恒温槽内装有恒温液体；所述加热元件设于恒温槽内，以对恒温液体进行加热；所述控温器设于恒温槽外侧并与加热元件电连接，以控制恒温液体温度；所述恒温循环组件包括循环泵、进水管和出水管，所述进水管和出水管的一端分别伸入恒温槽内，另一端分别与循环泵连接。

进一步地，所述腐蚀装置为一玻璃槽，所述玻璃槽内设有玻璃隔墙；所述恒温槽底部的中部设有凹槽，该凹槽与所述玻璃槽的底部相匹配，以固定玻璃槽。通过玻璃隔墙可将玻璃槽分隔成多个小玻璃槽格，以方便根据需要在不同的小玻璃槽格内放置不同的腐蚀介质，从而同时开展不同条件的试验。

本发明还提供了一种塑料恒温应力腐蚀实验方法，将试样置于温度、应力与腐蚀介质共同作用的环境下进行试验，并测量试样的伸长长度获得蠕变变形量，用以研究试样的腐蚀机理。

相对于现有技术，本发明的实验方法可同时考察温度、应力与腐蚀介质共同作用下的材料性能变化，以及可同时定量检测材料的蠕变变形，为材料应力腐蚀规律和机理的研究和应用开发提供依据。

进一步地，所述蠕变变形量通过以下方法获得：将试样的一端固定，另一端通过牵引线依次连接到应力加载杠杆的一端和测量滑轮，应力加载杠杆的另一端通过加载砝码提供应力；试验开始前，应力加载杠杆处于平衡位置，当试样发生蠕变变形时，应力加载杠杆偏离平衡位置，转动测量滑轮使应力加载杠杆回到平衡位置，测量滑轮绕入牵引线的长度即为试样的蠕变变形量；所述蠕变变形量可根据公式L＝πRθ/180计算得到，其中，L表示蠕变变形量，R表示测量滑轮的半径，θ表示测量滑轮的转动角度。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为实施例的塑料恒温应力腐蚀实验装置的三维结构示意图。

图2为实施例的塑料恒温应力腐蚀实验装置的二维俯视图。

图3为实施例的塑料恒温应力腐蚀实验装置的二维主视图。

图4为实施例的应力加载系统及蠕变检测系统的三维结构示意图。

图5为实施例的应力加载系统及蠕变检测系统的二维主视图。

具体实施方式

请同时参阅图1-5，图1-3分别为本实施例的塑料恒温应力腐蚀实验装置的三维结构示意图、二维俯视图和二维主视图，图4-5分别为本实施例的应力加载系统及蠕变检测系统的三维结构示意图和二维主视图。

所述塑料恒温应力腐蚀实验装置包括恒温装置100、腐蚀装置200、夹持装置300、应力加载系统400和蠕变检测系统500；所述腐蚀装置200设于恒温装置100内，所述腐蚀装置200内装有腐蚀介质，试样600浸泡于该腐蚀介质中；所述夹持装置300包括上夹具310和下夹具320，分别夹持试样600的上下两端；所述应力加载系统400与夹持装置300的上夹具310连接，以给试样600提供应力作用；所述蠕变检测系统500与应力加载系统400连接，以检测试样600在该应力作用下的蠕变变形量。

具体的，所述恒温装置100包括恒温槽110、加热元件120、控温器130和恒温循环组件140；所述恒温槽110优选不锈钢材质，内装有恒温液体；所述加热元件120优选电加热棒，浸泡于恒温液体中，对恒温液体进行加热；所述控温器130设于恒温槽110外侧并与加热元件120电连接，用于控制恒温液体温度；所述恒温循环组件140用于对恒温液体进行强制循环，保证各处温度的均匀，其由循环泵141、进水管142和出水管143组成，所述进水管142和出水管143的一端分别伸入恒温液体中，另一端分别与循环泵141连接。

具体的，所述腐蚀装置200为一玻璃槽，所述玻璃槽内设有玻璃隔墙，本实施例中，玻璃隔墙为十字形，将整个玻璃槽分隔成4个大小相同的小玻璃槽格，可以根据实验需要放置不同的腐蚀介质，且每个小玻璃槽格内可放置多个样条同时做平行试验。作为进一步优化的，所述恒温槽110底部的中部设计成凹槽，该凹槽与玻璃槽的底部相匹配，用于固定盛装腐蚀介质的玻璃槽。

具体的，所述应力加载系统400包括支撑座410、应力加载杠杆420和砝码430，所述应力加载杠杆420的中部通过支撑座410支撑，应力加载杠杆420的一端设有刻度和砝码定位套440，另一端设有转向滑轮450，所述砝码430加载于砝码定位套440的底部。从而，应力加载杠杆通过支撑座支撑形成杠杆原理，砝码在应力加载杠杆上的位置通过砝码定位套固定，且应力加载杠杆上设有刻度，可根据需要在砝码相同的情况下，通过调整加载力臂来改变加载的应力大小，不同的位置可产生不同的加载应力。作为进一步优化的，应力加载杠杆420上还设有调零指针460和与所述调零指针460对应的刻度盘470，刻度盘470上设有刻度盘锁紧螺丝471。从而，应力加载杠杆的初始调平位置或初始位置可通过该调零指针进行调整或记录。

具体的，所述蠕变检测系统500包括测量滑轮510、测量滑轮轴520和测量滑轮支座530，所述测量滑轮支座530位于应力加载杠杆420上，所述测量滑轮510通过测量滑轮轴520与测量滑轮支座530连接；所述测量滑轮510上设有刻度，且缠绕有牵引线511；所述测量滑轮支座530上设有指针和锁紧螺丝531，该指针指向测量滑轮510上的刻度，该锁紧螺丝531用于取试样时锁紧测量滑轮510。

具体的，所述夹持装置300还包括固定销330和下夹具连接座340，夹持装置300的下夹具320通过固定销330与下夹具连接座340连接，夹持装置300的上夹具310通过牵引线511依次与转向滑轮450、测量滑轮510连接。

本实施例的应力加载及蠕变定量测试的原理为：根据杠杆原理，在试验开始前，应力加载杠杆调平，调零指针处于平衡点，当试样发生蠕变变形时，会产生明显的伸长，从而应力加载杠杆会产生一个转角，使得调零指针偏离平衡点，适当转动测量滑轮直到调零指针重新回到平衡点，此时，测量滑轮的转动角度和绕入牵引线的长度即反映了试样的蠕变变形量大小，测量滑轮支座上的指针能够显示测量滑轮的转动角度，根据测量滑轮的半径和转动角度可以计算得到试样的蠕变变形量。具体的，当测量滑轮的半径为R，转动角度为θ，则对应的试样蠕变变形量L为：L＝πRθ/180。

本实施例还提供了一种塑料恒温应力腐蚀实验方法，将试样置于温度、应力与腐蚀介质共同作用的环境下进行试验，并测量试样的伸长长度获得蠕变变形量，用以研究试样的腐蚀机理。

具体的，试验可在上述塑料恒温应力腐蚀实验装置中进行，包括以下步骤：

(1)制备多个试样和多种腐蚀介质。试样优选为哑铃型试样，可采用注塑方法也可采用机械加工方法成型，对试样进行编号，并对试样的尺寸、重量进行测量和记录，为恒温应力腐蚀试验做好准备。

(2)将试样两端分别装夹于夹持装置的上夹具和下夹具中。具体的，试样装夹时先将试样下端装于下夹具，然后将试样上端装于上夹具。

(3)将装夹了试样的夹持装置放入玻璃槽内，玻璃槽内设有玻璃隔墙，将玻璃槽分隔成多个小玻璃槽格，每个小玻璃槽格内可放置多个试样。

(4)将下夹具固定放置于玻璃槽底部，利用测量滑轮缠绕的牵引线依次连接上夹具、应力加载杠杆的一端和测量滑轮，将砝码加载到应力加载杠杆的另一端以提供应力，确定砝码在应力加载杠杆上的位置使应力加载杠杆平衡。

(5)将不同的腐蚀介质装入对应的小玻璃槽格内，使腐蚀介质淹没试样，并控制玻璃槽的温度，使之处于恒温环境下。具体的，将玻璃槽放入恒温槽内，将恒温液(如水或油)装入恒温槽内，控制恒温液的温度以营造恒温环境。

(6)到规定的时间或规定试验条件，取出多个平行试样进行显微观察，观察试样表面形态变化，并测量试样的伸长长度获得蠕变变形量，还可做拉伸力学性能检测和其他分析，利用统计分析试样材料的腐蚀机理。

具体的，实验过程中的温度范围为0～150℃，优选温度为23℃和70℃；温度不大于100℃时，允许偏差2℃，温度高于100℃时，允许偏差3℃。实验过程中的应力范围为0～σ_s(材料的屈服强度)，所需具体的应力大小依据实验要求而定。本发明未限定腐蚀介质种类，但由于本实施例的浸泡装置材料为玻璃，在选择腐蚀介质时，需考虑介质对玻璃的腐蚀，根据需要试验系统可以采用其他材料加工。试验时间可分为短期实验、标准试验和长期实验，试验时间分别为24h、1周和16周。若需要采用其他浸泡时间，如要求依时间为变数进行实验，或要求作出直到达到平衡时的曲线，试验时间优选为：2周，4周，8周，16周，26周，52周，78周。

具体的，所述蠕变变形量通过以下方法获得：试验开始前，应力加载杠杆处于平衡位置，当试样发生蠕变变形时，应力加载杠杆偏离平衡位置，转动测量滑轮使应力加载杠杆回到平衡位置，测量滑轮绕入牵引线的长度即为试样的蠕变变形量；所述蠕变变形量可根据公式L＝πRθ/180计算得到，其中，L表示蠕变变形量，R表示测量滑轮的半径，θ表示测量滑轮的转动角度。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：(1)综合考虑了塑料高分子材料的黏弹性、温度敏感性、以及作为防腐设备应用过程中往往会承受压力的特点，研究在温度、应力与介质共同作用下的塑料材料的腐蚀规律和机理；(2)在应力腐蚀试验中同时定量检测材料的蠕变变形大小，可作为腐蚀介质对材料性能影响情况的重要指标；(3)可以实现不同周期、不同介质、多样条同时试验，取样方便、根据试验需要容易扩展、试验效率高；(4)试验样条采用非压紧式夹具，不依靠夹持力进行夹紧的装夹和卸下方便，卸载加载砝码即可轻松卸下；(5)结构紧凑、占地面积小、无环境污染。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种塑料恒温应力腐蚀实验装置，其特征在于：包括恒温装置、腐蚀装置、夹持装置、应力加载系统和蠕变检测系统；所述腐蚀装置设于恒温装置内，所述腐蚀装置内装有腐蚀介质，试样浸泡于该腐蚀介质中；所述夹持装置包括上夹具和下夹具，分别夹持试样的上下两端；所述应力加载系统与夹持装置的上夹具连接，以给试样提供应力作用；所述蠕变检测系统与应力加载系统连接，以检测试样在该应力作用下的蠕变变形量；

所述应力加载系统包括支撑座、应力加载杠杆和砝码，所述应力加载杠杆的中部通过所述支撑座支撑，所述应力加载杠杆的一端设有刻度和砝码定位套，另一端设有转向滑轮，所述砝码加载于砝码定位套的底部；

所述应力加载杠杆上还设有调零指针和与所述调零指针对应的刻度盘；所述夹持装置的上夹具通过牵引线依次与转向滑轮、测量滑轮连接；

所述蠕变检测系统包括测量滑轮、测量滑轮轴和测量滑轮支座，所述测量滑轮支座位于应力加载杠杆上，所述测量滑轮通过测量滑轮轴与测量滑轮支座连接；所述测量滑轮上缠绕有牵引线，且设有刻度；所述测量滑轮支座上设有指针，该指针指向测量滑轮上的刻度。

2.根据权利要求1所述的塑料恒温应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述测量滑轮支座上还设有锁紧螺丝，所述锁紧螺丝连接测量滑轮。

3.根据权利要求1所述的塑料恒温应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述夹持装置还包括固定销和下夹具连接座，所述夹持装置的下夹具通过固定销与下夹具连接座连接。

4.根据权利要求1-3中的任一权利要求所述的塑料恒温应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述恒温装置包括恒温槽、加热元件、控温器和恒温循环组件；所述恒温槽内装有恒温液体；所述加热元件设于恒温槽内，以对恒温液体进行加热；所述控温器设于恒温槽外侧并与加热元件电连接，以控制恒温液体温度；所述恒温循环组件包括循环泵、进水管和出水管，所述进水管和出水管的一端分别伸入恒温槽内，另一端分别与循环泵连接。

5.根据权利要求4所述的塑料恒温应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述腐蚀装置为一玻璃槽，所述玻璃槽内设有玻璃隔墙；所述恒温槽底部的中部设有凹槽，该凹槽与所述玻璃槽的底部相匹配，以固定玻璃槽。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述塑料恒温应力腐蚀实验装置的实验方法，其特征在于：将试样置于温度、应力与腐蚀介质共同作用的环境下进行试验，并测量试样的伸长长度获得蠕变变形量，用以研究试样的腐蚀机理；

所述蠕变变形量通过以下方法获得：将试样的一端固定，另一端通过牵引线依次连接到应力加载杠杆的一端和测量滑轮，应力加载杠杆的另一端通过加载砝码提供应力；试验开始前，应力加载杠杆处于平衡位置，当试样发生蠕变变形时，应力加载杠杆偏离平衡位置，转动测量滑轮使应力加载杠杆回到平衡位置，测量滑轮绕入牵引线的长度即为试样的蠕变变形量；所述蠕变变形量可根据公式L＝πRθ/180计算得到，其中，L表示蠕变变形量，R表示测量滑轮的半径，θ表示测量滑轮的转动角度。

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