CN110361260A - 厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验装置和试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验装置，包括：腐蚀介质盒，温度控制系统，压力控制系统，溶液补充系统，试样加载机构，以及溶液收集装置。本发明还公开了使用所述应力腐蚀试验装置的试验方法。本发明采用本发明的试验装置能够对腐蚀介质的氧化压力进行控制，营造更加精确、严苛的腐蚀环境，从而实现对厚试样的SCC开裂敏感性能进行准确评价，并且，本发明的试验方法操作方便、适用范围广，经济实惠效率高。

Description

厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验装置和试验方法
技术领域
本发明属于金属应力腐蚀试验技术领域，具体地说，是关于一种厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验装置和试验方法。
背景技术
以铝合金为代表的结构金属材料已被广泛应用，是航空航天、船舶、桥梁、大型容器、管道、车辆等领域中主要的结构材料之一。但在实际使用过程中存在失效的风险。导致其失效的主要原因之一为应力腐蚀(SCC)。因此对金属材料的应力腐蚀敏感性进行评价具有十分重要的实际意义。
SCC现象广泛存在于各类结构金属材料中，其会导致材料提早失效，从而对使用性能产生影响。目前，常用的应力腐蚀试验及装置根据测试对象的材料不同，采用的溶液为3.5％的氯化钠、42％的氯化镁、或硫化氢等，分别属于常温常压、高温常压和气体环境。试验装置根据使用环境的不同，只能对溶液的化学组成、温度、气体气氛/压力，进行单一的调节。
现有的应力腐蚀试验对影响材料实际SCC开裂敏感性能的因素的评价还有很多欠缺，试样厚度是一个重要影响因素，但对厚试样的表征方法和经验还大大欠缺。因此需要设计一种可以合理、高效地测试评价厚试样SCC开裂敏感性能的试验方法与装置。
发明内容
本发明的目的就在于针对现有应力腐蚀试验所存在的上述缺点，提供一种针对厚试样应力腐蚀性能评价的试验装置。
为实现上述目的，本发明的厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验装置包括：
腐蚀介质盒：包括盒底、上方设有开口的盒体、以及设于开口处的盒盖；
温度控制系统：用于保持腐蚀介质盒内的温度，包括温度控制器、加热片和测温计，其中加热片和测温计均置于腐蚀介质盒内，并分别与温度控制器连接；
压力控制系统：用于保持腐蚀介质盒内的压力，包括储气罐、进气管和排气管，其中，进气管穿过盒体伸至腐蚀介质盒的内部，排气管穿过盒盖从腐蚀介质盒内伸出，且进气管和排气管上均设有电子阀；
溶液补充系统：为一个注射器，包括针管、针管前端的针头、以及前端插入针管内的推杆，针头向下穿过盒盖伸至腐蚀介质盒内；
试样加载机构：包括上拉杆和下拉杆，上拉杆从腐蚀介质盒的盒盖穿入，下拉杆从腐蚀介质盒的盒底穿入，上拉杆和下拉杆相对的两端设有夹持机构，用于夹持试样；
溶液收集装置：包括冷凝管和收集槽，冷凝管与排气管连接，收集槽位于冷凝管的正下方。
根据本发明的优选实施例，所述腐蚀介质盒的盒盖的外缘为楔形，盒体的上方开口处设有若干个紧固螺栓，且开口处的下方设有与盒盖的楔形外缘相匹配的卡槽，盒盖依靠其楔形的外缘卡入盒体的卡槽内，并通过紧固螺栓夹紧固定。
根据本发明的优选实施例，所述温度控制系统的测温计用于检测腐蚀介质盒内的温度，并反馈给温度控制器，温度控制器根据测温计反馈的温度确定是否开启加热片加热，从而将腐蚀介质盒内的温度保持在所需的范围。
根据本发明的优选实施例，所述压力控制系统的电子阀带有压力感应探头，用于感应腐蚀介质盒内的压力。
根据本发明的优选实施例，所述溶液补充系统的推杆设置为外螺纹，而针管的内壁设置为内螺纹，从而实现两者的螺纹连接。
本发明的第二个方面，提供了一种厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验方法，采用上述的应力腐蚀试验装置，包括以下步骤：
步骤1：将两端夹持段加工出螺纹或销钉的待测厚金属试样安装到试样加载机构的上、下拉杆的夹持机构上；
步骤2：通过压力控制系统通入氧气以营造氧化氛围和/或通过溶液补充系统通入强氧化溶液，对试样的腐蚀环境进行调节，以使其符合试验的需要；
步骤3：通过加力装置对试样施加轴向的拉应力，直至试样断裂，或者达到预定的实验时间；
步骤4：通过溶液收集装置收集冷凝蒸汽和液体；
步骤5：待冷却至安全温度后，卸下试样，对试样的状态、残留的溶液，以及溶液收集装置收集到的液体进行检测，得到应力腐蚀的相关信息。
本发明的厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验装置和试验方法具有以下有益效果：
1、采用本发明的试验装置能够对腐蚀介质的氧化压力进行控制，营造更加精确、严苛的腐蚀环境，从而实现对厚试样的SCC开裂敏感性能进行准确评价。
2、本发明的试验方法操作方便、适用范围广，经济实惠效率高。
附图说明
图1为本发明的应力腐蚀试验装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，以具体实施例对本发明的厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀测试方法和装置做进一步的详细描述。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明的厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验装置，包括：
腐蚀介质盒：包括盒底11、上方设有开口的盒体12、以及设于开口处的盒盖13；
温度控制系统：用于保持腐蚀介质盒内的温度，包括温度控制器21、加热片22和测温计23；加热片22和测温计23置于腐蚀介质盒内；
压力控制系统：用于保持腐蚀介质盒内的压力，包括储气罐31、进气管32和排气管33，进气管32穿过盒体12伸至腐蚀介质盒的内部，排气管33穿过盒盖13从腐蚀介质盒内伸出，进气管32和排气管33上均设有电子阀34；
溶液补充系统：为一个注射器，包括针头41、针管42和推杆43，针头41向下穿过盒盖13伸至腐蚀介质盒内，针管42内放置溶液；
试样加载机构：包括上拉杆51和下拉杆52，上拉杆51从腐蚀介质盒的盒盖13穿入，下拉杆52从腐蚀介质盒的盒底11穿入，上拉杆51和下拉杆52相对的两端设有夹持机构53，用于夹持试样54；
溶液收集装置：包括冷凝管61和收集槽62，冷凝管61与排气管33连接，收集槽62位于冷凝管61的正下方。
本实施例中，所述腐蚀介质盒的盒盖13的外缘为楔形，盒体12的上方开口处设有若干个紧固螺栓121，且开口处的下方设有与盒盖13的楔形外缘相匹配的卡槽122，这样，盒盖13依靠其楔形的外缘卡入盒体12的卡槽122内，并通过紧固螺栓121夹紧固定。
所述温度控制系统的测温计23用于检测腐蚀介质盒内的温度，并反馈给温度控制器21，温度控制器21根据测温计23反馈的温度确定是否开启加热片22加热，从而将腐蚀介质盒内的温度保持在所需的范围。
所述压力控制系统的电子阀34带有压力感应探头，可以感应腐蚀介质盒内的压力，进而智能调节进气管32和排气管33的打开与关闭，从而保持腐蚀介质盒内压力的稳定。
所述溶液补充系统的推杆43设置为外螺纹，而针管42的内壁设置为内螺纹，从而实现两者的螺纹连接；采用这一连接方式，能够精准控制补液量，而且能够防止腐蚀介质盒的压力过大导致将推杆43顶出的意外情况。
本实施例中，上述各部件在穿过腐蚀介质盒的盒底11、盒体12及盒盖13的部位均设有密封圈，以确保良好的密封性。
使用以上应力腐蚀试验装置的试验方法如下：
1、将两端夹持段加工出螺纹或销钉的待测厚金属试样安装到试样加载机构的上、下拉杆的夹持机构53上；
2、通过压力控制系统通入氧气以营造氧化氛围和/或通过溶液补充系统通入强氧化溶液，对试样的腐蚀环境进行调节，以使其符合试验的需要；
3、通过加力装置对试样施加轴向的拉应力，直至试样断裂，或者达到预定的实验时间；
4、待试验装置内的温度和压力降至安全值后，打开试验装置，卸下试样，对试样的状态、残留的溶液，以及溶液收集装置收集到的液体进行检测，得到应力腐蚀的相关信息。
根据本发明，采用腐蚀性强的腐蚀介质时，试验过程中还包括通过溶液收集装置收集冷凝蒸汽和液体的步骤，以通过对液体进行检测，确定试验装置内的腐蚀环境是否符合要求。
当试验装置内的腐蚀环境偏离设定的要求时，可通过溶液补充系统向装置内补充液体，以使装置内的腐蚀环境达到预定的要求。
实施例1、沸腾氯化镁应力腐蚀检测试验
试验件材质为某牌号双相钢，试验件形式为圆棒，工作段直径为5mm，长度为36mm，两端加工出螺纹用于夹持：
试验参数如以下表1所示：
表1
溶液浓度 42％MgCl<sub>2</sub>
溶液温度 142℃
压力 1atm
首先，在待测金属试验件的两端夹持段加工出螺纹，然后将试验件安装到试样加载机构的上、下拉杆的夹持机构上；
然后、通过溶液补充系统向试验装置内通入42％的MgCl2溶液，对试验件的腐蚀环境进行调节，以使其温度和压力符合表1所列的数值；
接着、通过加力装置对试验件施加轴向的拉应力，至14天又22小时26分钟时，试验件断裂，试验停止；
最后、待试验装置内的温度和压力降至安全值后，打开试验装置，卸下试验件，对试验件的断口状态、残留的溶液，以及溶液收集装置收集到的液体进行检测，得到应力腐蚀的相关信息，具体如以下表2所示：
表2
断口宏观呈现多出应力腐蚀裂纹。
实施例2、某非标试验的铬酸混合溶液腐蚀检测试验
试样材质为某牌号铝合金，试验件形式为板状，工作段宽度为3mm，厚度为3mm，两端采用销钉进行装夹。
试验参数如以下表3所示：
表3
溶液浓度 铬酸混合溶液
溶液温度 90℃
压力 1atm
首先，将两端夹持段加工出销钉的待测铝合金试样安装到试样加载机构的上、下拉杆的夹持机构上；
然后、通过溶液补充系统通入铬酸混合溶液，对试样的腐蚀环境进行调节，以使试验装置内的温度和压力符合表3所列的要求；
接着、通过加力装置对试样施加轴向的拉应力，至23小时时，试样断裂，停止试验；
最后、待试验装置内的温度和压力降至安全值后，打开试验装置，卸下试样，对试样的状态、残留的溶液，以及溶液收集装置收集到的液体进行检测，得到应力腐蚀的相关信息。
试验过程中，通过溶液收集装置收集冷凝蒸汽和液体，并对液体的成分及pH进行检测，以确定腐蚀环境是否发生变化；当腐蚀环境发生改变时，及时通过溶液补充系统补充液体，以维持原有的腐蚀环境。
试验结束后，通过对试验件的断口状态、残留的溶液，以及溶液收集装置收集到的液体进行检测，得到应力腐蚀的相关信息，具体如以下表4所示：
表4
试样类别 试样编号 应变速率 试样破断时间 试验结果
铝合金试样 SSRT#1 10<sup>-6</sup> 23h 试样断裂
试样断裂时，宏观观察下，断口颈缩较小，断面及断口附近的侧面呈现明显腐蚀。

Claims (9)

1.一种厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验装置，其特征在于包括：
腐蚀介质盒：包括盒底、上方设有开口的盒体、以及设于开口处的盒盖；
温度控制系统：用于保持腐蚀介质盒内的温度，包括温度控制器、加热片和测温计，其中加热片和测温计均置于腐蚀介质盒内，并分别与温度控制器连接；
压力控制系统：用于保持腐蚀介质盒内的压力，包括储气罐、进气管和排气管，其中，进气管穿过盒体伸至腐蚀介质盒的内部，排气管穿过盒盖从腐蚀介质盒内伸出，且进气管和排气管上均设有电子阀；
溶液补充系统：为一个注射器，包括针管、针管前端的针头、以及前端插入针管内的推杆，针头向下穿过盒盖伸至腐蚀介质盒内；
试样加载机构：包括上拉杆和下拉杆，上拉杆从腐蚀介质盒的盒盖穿入，下拉杆从腐蚀介质盒的盒底穿入，上拉杆和下拉杆相对的两端设有夹持机构，用于夹持试样；
溶液收集装置：包括冷凝管和收集槽，冷凝管与排气管连接，收集槽位于冷凝管的正下方。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述腐蚀介质盒的盒盖的外缘为楔形，盒体的上方开口处设有若干个紧固螺栓，且开口处的下方设有与盒盖的楔形外缘相匹配的卡槽，盒盖依靠其楔形的外缘卡入盒体的卡槽内，并通过紧固螺栓夹紧固定。
3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述温度控制系统的测温计用于检测腐蚀介质盒内的温度，并反馈给温度控制器，温度控制器根据测温计反馈的温度确定是否开启加热片加热，从而将腐蚀介质盒内的温度保持在所需的范围。
4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述压力控制系统的电子阀带有压力感应探头，用于感应腐蚀介质盒内的压力。
5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述溶液补充系统的推杆设置为外螺纹，而针管的内壁设置为内螺纹，从而实现两者的螺纹连接。
6.一种厚试样在强氧化溶液中的应力腐蚀试验方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述的应力腐蚀试验装置，且包括以下步骤：
步骤1：将两端夹持段加工出螺纹或销钉的待测厚金属试样安装到试样加载机构的上、下拉杆的夹持机构上；
步骤2：通过压力控制系统通入氧气以营造氧化氛围和/或通过溶液补充系统通入强氧化溶液，对试样的腐蚀环境进行调节，以使其符合试验的需要；
步骤3：通过加力装置对试样施加轴向的拉应力，直至试样断裂，或者达到预定的实验时间；
步骤4：待试验装置的温度压力降至安全值后，卸下试样，对试样的状态、残留的溶液，以及溶液收集装置收集到的液体进行检测，得到应力腐蚀的相关信息。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，当采用腐蚀性强的腐蚀介质时，试验过程中还包括通过溶液收集装置收集冷凝蒸汽和液体的步骤，以通过对液体进行检测，确定试验装置内的腐蚀环境是否符合要求。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述对液体的检测包括对液体成分和pH值的检测。
9.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，当试验装置内的腐蚀环境偏离设定的要求时，通过溶液补充系统向装置内补充液体，以使装置内的腐蚀环境恢复到设定的要求。
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