CN115201026A - 高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于SEN B3试件的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，包括储液室、雾化子系统、温度控制子系统和裂纹观测子系统；雾化子系统包括盐雾腐蚀试验箱、时间继电器、电磁阀和自吸式雾化泵；储液室中的盐溶液通过导液管导入电磁阀中，利用时间继电器的计时功能通过电磁阀将导液管中的盐溶液间歇性喷射入自吸式雾化泵的溶液流路中，并转换为盐雾，之后流入万向喷雾管并通过其端部的腐蚀盐雾喷嘴喷射盐雾到SEN B3试件的机械缺口上，实现盐雾腐蚀；同时温度控制子系统在盐雾腐蚀试验箱中实现持续高温环境，并为停止喷雾时迅速干燥提供热源。本发明还原了金属在高温潮湿可溶盐离子较高的环境下腐蚀疲劳的工况。
Description
技术领域
本发明涉及应力分析技术领域，具体涉及一种适用于SEN B3试件的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统。
背景技术
钢结构构件往往承担着重要的工程结构使命，如海洋结构、石油化工设备、飞机结构等，其服役环境都具有不同程度的腐蚀性，腐蚀疲劳现在已经成为工程中各种承受循环载荷结构面临的严峻问题。由于腐蚀疲劳过程非常复杂，涉及到了力学、化学、电化学、金属材料及冶金学等众多学科内容，研究人员的初步工作应该理清腐蚀疲劳机理，再与传统的疲劳裂纹扩展速率试验进行对比，建立合理的腐蚀疲劳损伤演化规律模型。
目前研究腐蚀环境下的疲劳裂纹扩展试验，集中在采用腐蚀盐溶液浸泡的腐蚀环境，与实际的金属腐蚀疲劳机理有违背，根据已有研究可知，腐蚀速率与氯离子的浓度和水膜中的氧浓度有关，由于氯离子与氧在水中存在饱和溶解度，所以腐蚀速率与氯离子与氧的浓度有关，而完全的盐溶液浸泡，仅仅确保了可溶盐离子浓度，没有考虑到氧的作用。同时现有的腐蚀疲劳环境箱均以室温为试验温度，没有考虑温度因素的影响。现有技术中对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的数据采集使用的是引伸计柔度法进行测量，只适用于伺服疲劳试验机的疲劳裂纹扩展速率试验，但对于高频疲劳试验机，无法采用柔度法进行测量，同时高温盐雾腐蚀环境对引伸计也有腐蚀作用，而使用伺服疲劳试验机的试验成本大。所以现有腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验中存在的问题是：
1.简单的配置可溶盐离子的腐蚀溶液，不能真实反应腐蚀疲劳裂纹的腐蚀破坏机理；
2.忽略试验环境温度的影响，不能真实反应高温对腐蚀破坏的加速影响；
3.采用引伸计柔度法的间接测量方法，试验适用范围小，盐雾腐蚀环境对引伸计同时存在腐蚀的影响。
现有疲劳裂纹扩展速率试验常用的紧凑拉伸试件(CT)、中心裂纹拉伸试件(CCT)和单边缺口拉伸试件(SENT)，更没有适用于SEN B3((single edge notch bending)单边缺口弯曲3点弯试验)的盐雾腐蚀疲劳试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于SEN B3试件的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，通过供液系统、雾化系统、干湿控制系统、裂纹观测记录系统等，完成在高温盐雾腐蚀环境下的疲劳裂纹扩展速率试验，同时根据不同的实验方法，还可进行高温盐雾腐蚀环境下的疲劳裂纹扩展门槛值试验。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，所述测试系统适用于SEN B3试件；包括储液室、雾化子系统、温度控制子系统和裂纹观测子系统；
所述储液室内盛放可溶盐溶液；所述储液室的下部通过导液管与所述雾化子系统连接；
裂纹观测子系统由数码显微镜和图像处理单元组成；用于观测裂纹生长、识别裂纹长度、记录疲劳载循环次数功能；
温度控制子系统包括陶瓷加热片、温度传感器和控制电路，用于根据设置的目标温度，为盐雾腐蚀试验箱提供持续高温环境，并为停止喷雾时迅速干燥提供热源；
雾化子系统包括盐雾腐蚀试验箱、时间继电器、电磁阀和自吸式雾化泵；所述盐雾腐蚀试验箱用于放置SEN B3试件；所述时间继电器与所述电磁阀连接，所述时间继电器用于控制雾化腐蚀时间和干燥时间并控制电磁阀按照设置的时间开启/关闭；一溶液流路设置在自吸式雾化泵内，其一端连接导液管，另一端连接万向喷雾管的一端，所述万向喷雾管的另一端连接腐蚀盐雾喷嘴，所述溶液流路靠近导液管的位置上设置有电磁阀用于控制可溶盐溶液的流入；所述自吸式雾化泵用于将溶液流路中的盐溶液转换为盐雾，所述盐雾通过万向喷雾管后从腐蚀盐雾喷嘴中喷出；
所述测试系统的工作过程如下：
储液室中的盐溶液通过导液管导入电磁阀中，利用时间继电器的计时功能通过电磁阀将导液管中的盐溶液间歇性喷射入自吸式雾化泵的溶液流路中，并转换为盐雾，之后流入万向喷雾管并通过其端部的腐蚀盐雾喷嘴喷射盐雾到SEN B3试件的机械缺口上，实现盐雾腐蚀；同时温度控制子系统在盐雾腐蚀试验箱中实现持续高温环境，并为停止喷雾时迅速干燥提供热源。
进一步的，所述溶液流路内部还设置有多个并排设置的超声雾化金属片；所述溶液流路上具有2个进气道位于所述超声雾化金属片和电磁阀之间，所述进气道的端部连通吸气口，所述吸气口分别设置在自吸式雾化泵外壁上，所述吸气口吸入由空气压缩机引入的压缩气体，压缩气体从进气道进入溶液流路，从而将溶液流路中的盐溶液转变为盐雾。
进一步的，所述盐雾腐蚀试验箱为耐腐蚀的试验箱，其上设置有凹槽，侧壁上具有透明观测板；所述凹槽的宽度与SEN B3试件的尺寸适配，用于将待测试SEN B3试件卡入凹槽内，且SEN B3试件的位置与明观测板对应，使SEN B3试件的机械缺口和裂纹能够通过透明观测板观测到。
进一步的，所述自吸式雾化泵还包括手动调节阀和内置在底部的储液槽；所述手动调节阀从所述自吸式雾化泵的顶部向下延伸至所述溶液流路中，用于根据需要向上/下旋转调节所述溶液流路的流量，或手动向下旋转至溶液流路底部关闭溶液流路。
进一步的，所述时间继电器在一次干湿循环时间中，雾化腐蚀时间：干燥时间＝1：2。
进一步的，设置所述温度控制子系统的目标温度为45℃，所述陶瓷加热片81的加热温度范围为室温-100℃。
进一步的，所述图像处理单元为Matlab。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明从高温盐雾腐蚀疲劳破坏的机理入手，还原了金属在高温潮湿可溶盐离子较高的环境下腐蚀疲劳的工况，解决了金属在盐雾腐蚀破坏机理的问题；
2.添加了干湿控制系统与温度控制系统，探索温度对盐雾腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率的影响；
3.解决了柔度法间接测量的误差影响，采用高分辨光学显微镜进行对疲劳裂纹进行采集与识别并记录疲劳裂纹信息。
附图说明
图1是本发明所述高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统的结构示意图；
图2是雾化子系统的结构示意图；
图3是温度控制子系统的结构示意图；
图4是采用三点弯曲加载方式加载SEN B3试件的工作原理图；
其中，将SEN B3试件放置在盐雾腐蚀试验箱中，SEN B3试件放在有一定距离的两个支撑点上，在两个支撑点中点上方向标本施加向下的载荷，3个接触点形成相等的两个力矩时即发生三点弯曲，SEN B3试件于中点处存在机械缺口和裂纹；
图5是使用matlab裂纹实时监测图像；
图6是matlab二值化处理裂纹路径图片。
其中，
1：储液室； 2：电磁阀； 21：电磁滑块；
22：滑动弹簧； 23：电磁线圈； 3：导液管；
4：盐雾腐蚀试验箱； 41：透明观测板； 42：凹槽；
5：自吸式雾化泵； 51：手动调节阀； 52：吸气口；
53：超声雾化金属片； 54：储液槽； 6：万向喷雾管；
61：腐蚀盐雾喷嘴； 7：时间继电器； 8：温度控制子系统；
81：陶瓷加热片； 82：温度传感器； 9：数码显微镜
91：SEN B3试样
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面结合本发明实例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种适用于SEN B3试件的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，包括：储液室1、雾化子系统、温度控制子系统和裂纹观测子系统。本实施例的实验条件设计包括：温度45±2℃，环境箱相对湿度(RH):80±10％,配置腐蚀盐雾溶液浓度：350mg/L；采用干湿循环加速腐蚀，干湿循环试30min为一次循环，雾化腐蚀时间：干燥时间＝1：2(即盐雾喷雾10±lmin，干燥20±lmin)，SEN B3试件事先开有机械缺口。
其中，所述储液室1内盛放可溶盐溶液；所述储液室1的下部通过导液管3与所述雾化子系统连接。
所述温度控制子系统包括陶瓷加热片81和温度传感器82，用于为高温腐蚀环境提供持续温度热源。
裂纹观测子系统由高分辨数码显微镜9和图像处理单元组成，实现在高温腐蚀环境和疲劳载荷作用下，观测裂纹生长、识别裂纹长度、记录疲劳载循环次数功能。
如图2所示，所述雾化子系统包括盐雾腐蚀试验箱4、时间继电器7、电磁阀2和自吸式雾化泵5。
所述盐雾腐蚀试验箱4为耐腐蚀的试验箱，其上设置有凹槽42(图1示出)，所述凹槽的宽度与SEN B3试件的尺寸适配，用于将待测试SEN B3试件卡入凹槽42内，且SEN B3试件的位置与明观测板41对应(参见图4)，使SEN B3试件的机械缺口和裂纹能够通过透明观测板41观测到。
所述时间继电器7与所述电磁阀2连接，具有计时功能用于控制溶液流量，进而实现对盐雾腐蚀试验箱4提供间歇的盐雾喷射。其工作原理如图4所示。本实施例设置30min为一次循环，雾化腐蚀时间：干燥时间＝1：2，即时间继电器控制电磁阀2打开的时间为10min(雾化腐蚀时间)，关闭时间为20min。
所述电磁阀2用于控制所述储液室1中可溶盐溶液流入内置在自吸式雾化泵5中的溶液流路；包括电磁滑块21、滑动弹簧22和电磁线圈23；在通电时，电磁线圈23产生电磁力把电磁滑块21从溶液流路上提起，即打开阀门，使所述储液室1中可溶盐溶液通过导液管3流入溶液流路中；当断电或溶液倒流时，滑动弹簧22把电磁滑块21压在溶液流路上，即关闭阀门，阻止溶液流入。可选的，所述电磁阀2可以选用止回电磁阀。
所述自吸式雾化泵5包括空气压缩机、手动调节阀51、溶液流路和内置在底部的储液槽54；
所述溶液流路设置在自吸式雾化泵5内，其一端连接导液管3，另一端连接万向喷雾管6的一端，所述万向喷雾管6的另一端连接腐蚀盐雾喷嘴61；所述溶液流路靠近导液管3的位置上设置有电磁阀2用于控制可溶盐溶液的流入，所述溶液流路内部还设置有多个并排设置的超声雾化金属片53，各所述超声雾化金属片53均有管路连通所述储液槽54，用于在电磁阀2关闭时，收集溶液流路中残留的盐溶液，盐溶液收集满后，通过排液孔55排干；所述溶液流路上具有2个进气道，位于所述超声雾化金属片53和电磁阀2之间，所述进气道的端部连通吸气口52，所述吸气口52分别设置在自吸式雾化泵5外壁上，且两个吸气口分别靠近自吸式雾化泵5的顶部和底部设置。所述吸气口通过自吸式雾化泵5吸入由空气压缩机引入的压缩气体，压缩气体从进气道进入溶液流路，从而将溶液流路中的盐溶液转变为盐雾，满足盐雾腐蚀环境的要求。所述手动调节阀51从所述自吸式雾化泵5的顶部向下延伸至所述溶液流路中，阀体具有螺纹，用于根据需要向上/下旋转调节所述溶液流路的流量，或手动向下旋转至溶液流路底部关闭溶液流路。
如图4所示，所述万向喷雾管6伸入所述盐雾腐蚀试验箱4内，且其端部的所述腐蚀盐雾喷嘴61固定在所述盐雾腐蚀试验箱4内部，并对准所述SEN B3试件的机械缺口。
如图3所示，所述盐雾腐蚀试验箱4内还设置有温度控制子系统，所述温度控制子系统包括电源、温度控制器、固态继电器、陶瓷加热片81和温度传感器82，所述温度传感器82探测所述盐雾腐蚀试验箱4内的温度，并将温度值上传至温度控制器，控制陶瓷加热片81提供持续热源，并维持箱内环境温度在45±2℃范围内。目前现有的裂纹扩展速率试验均是在室温下进行，想研究温度对裂纹扩展速率的影响就受到限制，加装陶瓷加热片后，可实现从室温-100℃的加热，采用温度传感器82及其配套的控制电路，可设置目标温度(如本实施例的45℃)，当未达到目标温度时持续加热，达到目标温度时，停加热，实现保持45℃的维持。
所述盐雾腐蚀试验箱4的一个侧壁上设置有高透明度的透明观测板41，所述盐雾腐蚀试验箱4的外壁上固定设置一20倍/500倍数码显微镜9(根据摄像头的位置手动调节清晰)，所述数码显微镜9的位置与所述透明观测板41的位置对应，便于观测。所述图像处理单元(Matlab)与所述数码显微镜连接，所述数码显微镜9拍摄图像通过Matlab进行实时图像采集，并通过二值算法获取清晰裂纹扩展长度图像，如图5-6所示，用于实现在高温腐蚀环境和疲劳载荷作用下，观测裂纹生长、识别裂纹长度、记录疲劳载循环次数功能。
本发明的工作过程如下：
储液室1将腐蚀疲劳试验中需要的盐溶液溶解储存其中，后通过导液管3导入电磁阀2中，利用时间继电器7的计时功能通过电磁阀2将导液管3中的盐溶液间歇性喷射入溶液流路中，所述盐溶液经进气道吸入由空气压缩机引入的压缩气体，压缩气体从进气道进入溶液流路，从而将溶液流路中的盐溶液转变为盐雾，满足盐雾腐蚀环境的要求；还可通过手动调节阀51调节腐蚀盐雾的流量；随后盐雾在溶液流路中流经超声雾化金属片53后，流入万向喷雾管6并通过其端部的腐蚀盐雾喷嘴61喷射盐雾到SEN B3试件的机械缺口上，实现盐雾腐蚀，与此同时通过温度控制子系统8中的陶瓷加热片81与温度传感器82实现根据设置的目标温度，在盐雾腐蚀试验箱4中实现持续高温环境，并为停止喷雾时迅速干燥提供热源。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，所述测试系统适用于SEN B3试件；其特征在于，包括储液室(1)、雾化子系统、温度控制子系统(8)和裂纹观测子系统；
所述储液室(1)内盛放可溶盐溶液；所述储液室(1)的下部通过导液管(3)与所述雾化子系统连接；
裂纹观测子系统由数码显微镜(9)和图像处理单元组成；用于观测裂纹生长、识别裂纹长度、记录疲劳载循环次数功能；
温度控制子系统包括陶瓷加热片(81)、温度传感器(82)和控制电路，用于根据设置的目标温度，为盐雾腐蚀试验箱(4)提供持续高温环境，并为停止喷雾时迅速干燥提供热源；
雾化子系统包括盐雾腐蚀试验箱(4)、时间继电器(7)、电磁阀(2)和自吸式雾化泵(5)；所述盐雾腐蚀试验箱(4)用于放置SEN B3试件(91)；所述时间继电器(7)与所述电磁阀(2)连接，所述时间继电器(7)用于控制雾化腐蚀时间和干燥时间并控制电磁阀(2)按照设置的时间开启/关闭；一溶液流路设置在自吸式雾化泵(5)内，其一端连接导液管(3)，另一端连接万向喷雾管(6)的一端，所述万向喷雾管(6)的另一端连接腐蚀盐雾喷嘴(61)，所述溶液流路靠近导液管(3)的位置上设置有电磁阀(2)用于控制可溶盐溶液的流入；所述自吸式雾化泵(5)用于将溶液流路中的盐溶液转换为盐雾，所述盐雾通过万向喷雾管(6)后从腐蚀盐雾喷嘴(61)中喷出；
所述测试系统的工作过程如下：
储液室(1)中的盐溶液通过导液管(3)导入电磁阀(2)中，利用时间继电器(7)的计时功能通过电磁阀(2)将导液管(3)中的盐溶液间歇性喷射入自吸式雾化泵(5)的溶液流路中，并转换为盐雾，之后流入万向喷雾管(6)并通过其端部的腐蚀盐雾喷嘴(61)喷射盐雾到SENB3试件(91)的机械缺口上，实现盐雾腐蚀；同时温度控制子系统8在盐雾腐蚀试验箱(4)中实现持续高温环境，并为停止喷雾时迅速干燥提供热源。
2.根据权利要求1所述的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，其特征在于，所述溶液流路内部还设置有多个并排设置的超声雾化金属片(53)；所述溶液流路上具有2个进气道位于所述超声雾化金属片(53)和电磁阀(2)之间，所述进气道的端部连通吸气口(52)，所述吸气口(52)分别设置在自吸式雾化泵(5)外壁上，所述吸气口吸入由空气压缩机引入的压缩气体，压缩气体从进气道进入溶液流路，从而将溶液流路中的盐溶液转变为盐雾。
3.根据权利要求1所述的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，其特征在于，所述盐雾腐蚀试验箱(4)为耐腐蚀的试验箱，其上设置有凹槽(42)，侧壁上设置有透明观测板(41)，所述凹槽(42)的宽度与SEN B3试件(91)的尺寸适配，用于将待测试SEN B3试件卡入凹槽(42)内，且SEN B3试件的位置与透明观测板(41)对应，使SEN B3试件的机械缺口和裂纹能够通过透明观测板(41)观测到。
4.根据权利要求1所述的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，其特征在于，所述自吸式雾化泵(5)还包括手动调节阀(51)和内置在底部的储液槽(54)；所述手动调节阀(51)从所述自吸式雾化泵(5)的顶部向下延伸至所述溶液流路中，用于根据需要向上/下旋转调节所述溶液流路的流量，或手动向下旋转至溶液流路底部关闭溶液流路。
5.根据权利要求1所述的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，其特征在于，所述时间继电器(7)在一次干湿循环时间中，雾化腐蚀时间：干燥时间＝1：2。
6.根据权利要求1所述的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，其特征在于，设置所述温度控制子系统的目标温度为45℃，所述陶瓷加热片(81)的加热温度范围为室温-100℃。
7.根据权利要求1所述的高温盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试系统，其特征在于，所述图像处理单元为Matlab。
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