CN117269038A - 一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置及方法，包括聚四氟乙烯底座；第二聚四氟乙烯螺栓，第二聚四氟乙烯螺栓设置在聚四氟乙烯底座上，其上套设有弹簧；聚四氟乙烯模具，聚四氟乙烯上模设置在拉伸试样上端，聚四氟乙烯下模设置在拉伸试样下端；第一聚四氟乙烯螺栓，第一聚四氟乙烯螺栓固定连接聚四氟乙烯上模和聚四氟乙烯下模；聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜设置在聚四氟乙烯模具上；饱和甘汞电极，饱和甘汞电极设置在聚四氟乙烯上模上；铂电极，铂电极设置在聚四氟乙烯上模上；工作电极导线，工作电极导线设置在聚四氟乙烯上模上。具有有效模拟缝隙腐蚀、应力腐蚀以及缝隙应力腐蚀耦合作用下的电化学性能的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造和电化学测试装置技术领域，具体而言，涉及一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置及方法。
背景技术
目前缝隙应力腐蚀是发生在金属结构件受应力作用的缝隙处的局部腐蚀，金属结构中采用的铆接、螺栓连接、铆钉接头等金属之间的紧固件，在连接部位会形成缝隙，缝隙处金属发生强烈的选择性腐蚀破坏，通过对腐蚀后的螺栓进行分析，发现严重的腐蚀基本位于螺栓根部，根据力学原理，螺栓根部传递了最大的载荷分量，且此处还存在由于缺口效应引起的应力集中，在缝隙与应力集中的相互作用下，螺杆的承载面积越来越小，达到临界值后发生断裂。目前关于缝隙应力的电化学腐蚀的研究方法基本将缝隙腐蚀和应力腐蚀视为独立的部分进行探讨，无法直接分析缝隙和应力协同作用下构件的腐蚀失效行为，因此，需要设计一种能够研究缝隙应力耦合作用下的电化学测试装置以分析缝隙应力耦合作用下的电化学腐蚀机理。
在现有技术中，专利授权号：CN 103528944B一种缝隙腐蚀电化学性能测试装置，该方案设计了一种缝隙腐蚀电化学性能测试装置，能够测试特定缝隙宽度进而溶液环境下缝隙腐蚀的研究。但该方案仅针对缝隙腐蚀的情况，无法测试缝隙应力耦合作用下的电化学性能，因此，本发明要设计一种可以进行缝隙腐蚀、应力腐蚀以及缝隙应力腐蚀耦合作用下的电化学性能试验装置。专利号：CN104374640B一种缝隙内金属应力腐蚀实验装置，该方案设计了一种缝隙内金属应力腐蚀实验装置，通过螺母与加力支撑板配合形成螺栓-螺纹加载结构，通过载荷传感器测试试样所受应力，通过O型密封圈实现缝隙模拟。但该方案所用O型密封圈实现缝隙模拟无法准确模拟不同宽度的缝隙，且用于测试载荷大小的载荷传感器及载荷显示器成本较高，装置整体所用材料较多，整体设计较复杂。
综上所述，存在如下至少一个技术问题：
缝隙应力的电化学腐蚀的研究方法基本将缝隙腐蚀和应力腐蚀视为独立的部分进行探讨，无法直接分析缝隙和应力协同作用下构件的腐蚀失效行为；
无法测试缝隙应力耦合作用下的电化学性能；
无法准确模拟不同宽度的缝隙，且用于测试载荷大小的载荷传感器及载荷显示器成本较高，装置整体所用材料较多，整体设计较复杂；
即：如何解决缝隙、应力及缝隙应力腐蚀耦合作用下金属的电化学性能测试，如何实现缝隙宽度可调、应力大小可控，对缝隙、应力及缝隙应力耦合作用下金属的电化学腐蚀信息进行实时采集和测试。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置及方法，以解决现有技术中缝隙应力的电化学腐蚀的研究方法基本将缝隙腐蚀和应力腐蚀视为独立的部分进行探讨，无法直接分析缝隙和应力协同作用下构件的腐蚀失效行为；无法测试缝隙应力耦合作用下的电化学性能；无法准确模拟不同宽度的缝隙，且用于测试载荷大小的载荷传感器及载荷显示器成本较高，装置整体所用材料较多，整体设计较复杂；即：如何解决缝隙、应力及缝隙应力腐蚀耦合作用下金属的电化学性能测试，如何实现缝隙宽度可调、应力大小可控，对缝隙、应力及缝隙应力耦合作用下金属的电化学腐蚀信息进行实时采集和测试的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，包括：
聚四氟乙烯底座；
第二聚四氟乙烯螺栓，所述第二聚四氟乙烯螺栓设置在聚四氟乙烯底座上，所述第二聚四氟乙烯螺栓连接拉伸试样，所述第二聚四氟乙烯螺栓上套设有弹簧；
聚四氟乙烯模具，所述聚四氟乙烯模具包括聚四氟乙烯上模和聚四氟乙烯下模，所述聚四氟乙烯上模设置在拉伸试样上端，所述聚四氟乙烯下模设置在拉伸试样下端；
第一聚四氟乙烯螺栓，所述第一聚四氟乙烯螺栓固定连接聚四氟乙烯上模和聚四氟乙烯下模；
聚四氟乙烯薄膜，所述聚四氟乙烯薄膜设置在聚四氟乙烯上模和聚四氟乙烯下模之间；以及
饱和甘汞电极，所述饱和甘汞电极设置在聚四氟乙烯上模上；
铂电极，所述铂电极设置在聚四氟乙烯上模上；
工作电极导线，所述工作电极导线设置在聚四氟乙烯上模上。
优选的，所述拉伸试样两端通过销子与第二聚四氟乙烯螺栓相连，所述拉伸试样两端设有光孔，所述光孔与第二聚四氟乙烯螺栓配合。
优选的，所述聚四氟乙烯底座通过紧固件与试验箱底面连接在一起，或一体成型。
优选的，所述拉伸试样工作段预留测试工作面积，其余用绝缘清漆密封。
优选的，所述拉伸试样工作段通过聚四氟乙烯模具与聚四氟乙烯薄膜调整缝隙宽度。
优选的，所述聚四氟乙烯下模为两边凸起，中间下凹的结构，其中下凹宽度与拉伸试样宽度相同，拉伸试样装配在下模后试样表面与下模凸起表面在同一水平面。
优选的，所述聚四氟乙烯薄膜通过第一聚四氟乙烯螺栓与聚四氟乙烯上模和聚四氟乙烯下模固定。
优选的，应力大小通过以下公式计算：
其中:σ是外加应力(MPa)；k是弹簧系数(N/mm)；x是弹簧压缩量，单位mm；A是拉伸试样横截面积(mm2)。
优选的，通过调整弹簧压缩量施加不同应力。
根据本发明的另一方面提供了一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试方法，包括：
通过采用聚四氟乙烯模具及垫片模拟不同宽度的缝隙腐蚀，通过弹簧施加应力模拟不同大小的应力腐蚀，外加电化学工作站模拟缝隙腐蚀、应力腐蚀以及缝隙应力腐蚀耦合作用下的电化学性能。
应用本发明的技术方案，具有如下技术效果：
通过采用聚四氟乙烯模具及垫片模拟不同宽度的缝隙腐蚀，通过弹簧施加应力模拟不同大小的应力腐蚀，外加电化学工作站，具有有效模拟缝隙腐蚀、应力腐蚀以及缝隙应力腐蚀耦合作用下的电化学性能的技术效果。
本方案中针对缝隙宽度进行了精确设计，可调整不同尺寸的缝隙宽度；并改进了载荷施加方式，通过简单计算即可获得所施加的载荷大小，省去了载荷传感器及载荷显示器，装置更加简单方便，同时节约了经济成本。同时，本方案可同时测量缝隙内外在应力作用下的电化学性能，保证了试验参数的一致性，节约了试验时间成本。
实现分析缝隙应力耦合作用下的电化学腐蚀机理。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置的结构示意图；
图2示出了图1中的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置的拉伸试样缝隙装置示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
聚四氟乙烯底座1；拉伸试样2；第一聚四氟乙烯螺栓3；弹簧4；第二聚四氟乙烯螺栓5；饱和甘汞电极6；铂电极7；聚四氟乙烯模具8；工作电极导线9；销子10；聚四氟乙烯薄膜11；聚四氟乙烯上膜12；聚四氟乙烯下膜13；螺纹孔14；光孔15。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图2所示，本发明实施例提供了一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，包括：聚四氟乙烯底座1；第二聚四氟乙烯螺栓5，所述第二聚四氟乙烯螺栓5设置在聚四氟乙烯底座1上，所述第二聚四氟乙烯螺栓5连接拉伸试样2，所述第二聚四氟乙烯螺栓5上套设有弹簧4；聚四氟乙烯模具8，所述聚四氟乙烯模具8包括聚四氟乙烯上模12和聚四氟乙烯下模13，所述聚四氟乙烯上模12设置在拉伸试样2上端，所述聚四氟乙烯下模13设置在拉伸试样2下端；第一聚四氟乙烯螺栓3，所述第一聚四氟乙烯螺栓3固定连接聚四氟乙烯上模12和聚四氟乙烯下模13；聚四氟乙烯薄膜11，所述聚四氟乙烯薄膜11设置在聚四氟乙烯上模12和聚四氟乙烯下模13之间；饱和甘汞电极6，所述饱和甘汞电极6设置在聚四氟乙烯上模12上；铂电极7，所述铂电极7设置在聚四氟乙烯上模12上；工作电极导线9，所述工作电极导线9设置在聚四氟乙烯上模12上。
本实施例中，聚四氟乙烯底座1,聚四氟乙烯底座1通过紧固件与试验箱底面连接在一起，或一体成型。第二聚四氟乙烯螺栓5，所述第二聚四氟乙烯螺栓5设置在聚四氟乙烯底座1上，所述第二聚四氟乙烯螺栓5连接拉伸试样2，所述第二聚四氟乙烯螺栓5上套设有弹簧4,拉伸试样2两端通过销子10与第二聚四氟乙烯螺栓5相连，所述拉伸试样2两端设有光孔15，所述光孔15与第二聚四氟乙烯螺栓5配合。聚四氟乙烯模具8，所述聚四氟乙烯模具8包括聚四氟乙烯上模12和聚四氟乙烯下模13，所述聚四氟乙烯上模12设置在拉伸试样2上端，所述聚四氟乙烯下模13设置在拉伸试样2下端,拉伸试样2工作段预留测试工作面积，其余用绝缘清漆密封,拉伸试样2工作段通过聚四氟乙烯模具8与聚四氟乙烯薄膜11调整缝隙宽度。第一聚四氟乙烯螺栓3，第一聚四氟乙烯螺栓3固定连接聚四氟乙烯上模12和聚四氟乙烯下模13,聚四氟乙烯下模13为两边凸起，中间下凹的结构，其中下凹宽度与拉伸试样2宽度相同，拉伸试样2装配在下模后试样表面与下模凸起表面在同一水平面。聚四氟乙烯薄膜11，聚四氟乙烯薄膜11设置在聚四氟乙烯上模12和聚四氟乙烯下模13之间，聚四氟乙烯薄膜11通过第一聚四氟乙烯螺栓3与聚四氟乙烯上模12和聚四氟乙烯下模13固定，第一聚四氟乙烯螺栓3与聚四氟乙烯上模12和聚四氟乙烯下模13上的螺纹孔14配合。饱和甘汞电极6，所述饱和甘汞电极6设置在聚四氟乙烯上模12上；铂电极7，所述铂电极7设置在聚四氟乙烯上模12上；工作电极导线9，所述工作电极导线9设置在聚四氟乙烯上模12上。应力大小通过以下公式计算：
其中:σ是外加应力(MPa)；k是弹簧4系数(N/mm)；x是弹簧4压缩量，单位mm；A是拉伸试样2横截面积(mm2)，通过调整弹簧4压缩量施加不同应力。
具体的，缝隙、应力及缝隙应力腐蚀耦合作用下金属的电化学性能测试装置结构图如图1所示，该测试装置由聚四氟乙烯底座1、拉伸试样2、第一聚四氟乙烯螺栓3、弹簧4、第二聚四氟乙烯螺栓5、饱和甘汞电极6、铂电极7、聚四氟乙烯模具8、工作电极导线9、销子10组成。聚四氟乙烯底座1通过紧固件与试验箱底面连接在一起，或一体成型，左侧聚四氟乙烯螺栓与聚四氟乙烯底座1螺接固定，右侧聚四氟乙烯螺栓与底座之间安装弹簧4用于调整应力大小。拉伸试样2通过销子10与聚四氟乙烯螺栓连接。
应力大小通过以下公式计算：
其中σ是外加应力(MPa)；k是弹簧4系数(N/mm)；x是弹簧4压缩量，单位mm；A是拉伸试样2横截面积(mm2)。通过调整弹簧4压缩量即可完成不同应力的施加。
图2为拉伸试样2缝隙装置示意图，拉伸试样2加持段配打两光孔15，通过销子10与螺栓连接。拉伸试样2工作段预留测试工作面积，其余用绝缘清漆密封。拉伸试样2工作段通过聚四氟乙烯模具8与聚四氟乙烯薄膜11调整缝隙宽度。其中，聚四氟乙烯下模13为两边凸起，中间下凹的形状。下凹宽度与试样宽度相同，试样装配在下模后试样表面应与下模凸起表面在同一水平面。聚四氟乙烯薄膜11通过聚四氟乙烯螺栓与上下模具进行固定。
本装置灵活多变，可实现多种因素作用下的电化学性能测试。不对弹簧4施加应力时可单独进行缝隙腐蚀电化学性能测试；去除聚氨酯模具时可单独进行应力腐蚀电化学性能测试；弹簧4和聚氨酯模具均存在时可进行缝隙应力腐蚀耦合作用下的电化学性能测试。通过调整聚氨酯薄膜厚度可调整缝隙宽度，通过调整弹簧4压缩距离可调整应力大小。聚四氟乙烯上模12中配置的饱和甘汞电极6和铂电极7可用于测量缝隙内的电化学性能，上模外配置的饱和甘汞电极6和铂电极7可用于测量缝隙外的电化学性能。本方案采用的聚四氟乙烯模具8可通过环氧树脂或其他绝缘材料替换。通过弹簧4及聚四氟乙烯模具8及电化学工作站进行缝隙应力腐蚀耦合作用下的电化学性能测试。
本发明另一实施例中提供了一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试方法，包括：通过采用聚四氟乙烯模具8及垫片模拟不同宽度的缝隙腐蚀，通过弹簧4施加应力模拟不同大小的应力腐蚀，外加电化学工作站模拟缝隙腐蚀、应力腐蚀以及缝隙应力腐蚀耦合作用下的电化学性能。
从以上描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
通过采用聚四氟乙烯模具8及垫片模拟不同宽度的缝隙腐蚀，通过弹簧4施加应力模拟不同大小的应力腐蚀，外加电化学工作站，具有有效模拟缝隙腐蚀、应力腐蚀以及缝隙应力腐蚀耦合作用下的电化学性能的技术效果。
本方案中针对缝隙宽度进行了精确设计，可调整不同尺寸的缝隙宽度；并改进了载荷施加方式，通过简单计算即可获得所施加的载荷大小，省去了载荷传感器及载荷显示器，装置更加简单方便，同时节约了经济成本。同时，本方案可同时测量缝隙内外在应力作用下的电化学性能，保证了试验参数的一致性，节约了试验时间成本。
实现分析缝隙应力耦合作用下的电化学腐蚀机理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，包括：
聚四氟乙烯底座；
第二聚四氟乙烯螺栓，所述第二聚四氟乙烯螺栓设置在聚四氟乙烯底座上，所述第二聚四氟乙烯螺栓连接拉伸试样，所述第二聚四氟乙烯螺栓上套设有弹簧；
聚四氟乙烯模具，所述聚四氟乙烯模具包括聚四氟乙烯上模和聚四氟乙烯下模，所述聚四氟乙烯上模设置在拉伸试样上端，所述聚四氟乙烯下模设置在拉伸试样下端；
第一聚四氟乙烯螺栓，所述第一聚四氟乙烯螺栓固定连接聚四氟乙烯上模和聚四氟乙烯下模；
聚四氟乙烯薄膜，所述聚四氟乙烯薄膜设置在聚四氟乙烯上模和聚四氟乙烯下模之间；以及
饱和甘汞电极，所述饱和甘汞电极设置在聚四氟乙烯上模上；
铂电极，所述铂电极设置在聚四氟乙烯上模上；
工作电极导线，所述工作电极导线设置在聚四氟乙烯上模上。
2.如权利要求1所述的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，所述拉伸试样两端通过销子与第二聚四氟乙烯螺栓相连，所述拉伸试样两端设有光孔，所述光孔与第二聚四氟乙烯螺栓配合。
3.如权利要求1所述的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，所述聚四氟乙烯底座通过紧固件与试验箱底面连接在一起，或一体成型。
4.如权利要求1所述的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，所述拉伸试样工作段预留测试工作面积，其余用绝缘清漆密封。
5.如权利要求1所述的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，所述拉伸试样工作段通过聚四氟乙烯模具与聚四氟乙烯薄膜调整缝隙宽度。
6.如权利要求1所述的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，所述聚四氟乙烯下模为两边凸起，中间下凹的结构，其中下凹宽度与拉伸试样宽度相同，拉伸试样装配在下模后试样表面与下模凸起表面在同一水平面。
7.如权利要求1所述的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，所述聚四氟乙烯薄膜通过第一聚四氟乙烯螺栓与聚四氟乙烯上模和聚四氟乙烯下模固定。
8.如权利要求1所述的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，应力大小通过以下公式计算：
其中:σ是外加应力(MPa)；k是弹簧系数(N/mm)；x是弹簧压缩量，单位mm；A是拉伸试样横截面积(mm2)。
9.如权利要求1所述的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，通过调整弹簧压缩量施加不同应力。
10.一种缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试方法，基于权利要求1-9任意一项所述的缝隙应力腐蚀耦合作用下电化学测试装置，其特征在于，包括：通过采用聚四氟乙烯模具及垫片模拟不同宽度的缝隙腐蚀，通过弹簧施加应力模拟不同大小的应力腐蚀，外加电化学工作站模拟缝隙腐蚀、应力腐蚀以及缝隙应力腐蚀耦合作用下的电化学性能。
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2023
- 2023-08-18 CN CN202311043216.1A patent/CN117269038A/zh active Pending
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