基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置及其方法与流程

1.本发明涉及金属材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置及其方法。


背景技术：

2.由于结构件长期在腐蚀环境下使用，使用过程中除了经受液体的腐蚀外，还承受着动态冲击力作用，这种冲击力会引起结构件的局部损伤变形。外加冲击力与腐蚀溶液共同作用下，会加速结构件的变形疲劳破坏。因此，结构件所用材料在腐蚀环境中的应变-疲劳性能是结构件安全评估的关键。
3.而材料在室温下的应变疲劳试验主要有两种方式，其一采用精度较高地引伸计控制，通过引伸计接触试样表面，将控制软件中的应变大小换算成试样真实的变形量，从而使疲劳试样在给定应变大小下进行循环试验，最终得到其出现裂纹或断裂时的循环寿命；其二是采用非接触式的光学引伸计，该方法采用位移控制模式，在试样的平行段做两个标记点，通过dic数字采集系统拍照跟踪试验过程中两个标记点距离的变化，从而推算出应变量。但在腐蚀溶液中实现这两种控制方法都存在很大困难。用接触式引伸计既要保证引伸计主体不被腐蚀，又要实现精确控制；用非接触式的光学方法，由于腐蚀液的原因，利用dic数字采集系统拍照得到的结果已经失真，完全失去试验的意义。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置及其方法，旨在保证引伸计与腐蚀液中的疲劳试样表面接触的同时，引伸计主体不能接触腐蚀液，防止引伸计控制系统被腐蚀损坏。
5.为实现上述目的，本发明提供一种基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置，包括载荷施加系统、腐蚀容器箱、夹持机构以及引伸计，其中，所述夹持机构用于夹持疲劳试样的两端，所述载荷施加系统包括位于夹持机构上方的上夹具以及位于腐蚀容器箱下方的下夹具，所述引伸计通过悬臂梁固定在立柱上且相对于立柱可自由转动，引伸计的伸长杆为耐腐蚀陶瓷杆，腐蚀容器箱的侧壁上开设有通孔，通孔的内外两侧均粘贴有橡胶片以进行密封，橡胶片上开设有缝隙，引伸计的伸长杆经橡胶片上的缝隙伸入腐蚀容器箱内部与疲劳试样接触，引伸计的另一端与控制器连接。
6.优选地，所述夹持机构包括上套筒和下套筒，上套筒和下套筒分别套于夹持疲劳试样的上下两端且与其螺纹连接，下套筒位于腐蚀容器箱内部且与其固定连接，上夹具与上套筒连接以对其施加载荷。
7.优选地，所述腐蚀容器箱包括底部开设有圆孔的容器本体以及位于容器本体底部且将其圆孔密封的底座，该底座包括中部开设有螺纹孔的支撑底盘、以及位于支撑底盘螺纹孔下方的下连接杆，下连接杆的内部开设有螺纹孔以与支撑底盘的螺纹孔同心设置，下夹具与下连接杆螺纹连接，底座通过螺纹连接杆与下套筒可拆卸连接。
8.优选地，所述螺纹连接杆的顶部插入下套筒内部且与其螺纹连接，螺纹连接杆的底部插入支撑底盘和下连接杆的螺纹孔中以将底座与下套筒可拆卸连接。
9.优选地，所述螺纹连接杆与底座内螺纹孔连接处通过紧固螺栓锁紧以防止其转动。
10.优选地，所述支撑底盘与容器本体之间通过玻璃胶密封连接以防止液体渗漏。
11.优选地，所述上夹具和下夹具均包括开设有楔形开口的夹头以及容纳于楔形开口内的夹块，夹块与上套筒或下连接杆螺纹连接。
12.优选地，所述上套筒的外径与下连接杆的外径相同。
13.优选地，所述下套筒的外径大于螺纹连接杆的直径，下套筒下端内螺纹直径与螺纹连接杆的外径相匹配，下套筒上端的内螺纹孔与上夹具的螺纹尺寸相匹配；腐蚀容器箱采用有机玻璃制成。
14.本发明进一步提出一种基于上述的基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置的测试方法，包括以下步骤：
15.待测疲劳试样的两端均设有外螺纹，将待测疲劳试样其两端通过上套筒和下套筒夹持后，下套筒与腐蚀容器箱固定，上套筒与载荷施加系统的上夹具固定，载荷施加系统的下夹具与腐蚀容器箱的底座固定，引伸计的伸长杆穿过腐蚀容器箱侧壁橡胶片上缝隙与疲劳试样接触，引伸计的另一端与控制器连接；
16.向腐蚀容器箱中加入腐蚀液，使整个疲劳试样浸泡在腐蚀液中，同时控制上夹具与腐蚀液不接触，通过载荷施加系统向疲劳试样增加载荷，使疲劳试样在给定应变大小下进行循环试验，同时引伸计的伸长杆实时测量疲劳试样的变形量。
17.本发明提出的基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置，具有以下有益效果：
18.1)本测试装置一方面实现了试样在腐蚀溶液中引伸计应变控制疲劳试验，另一方面可防止了液体腐蚀试验机系统；
19.2)本测试装置实现了引伸计精确接触试样，并能将该变形量反馈给控制软件来控制试验，实现应变闭环控制，提高了测试精度；
20.3)腐蚀容器箱由支撑底盘托住，即保证了箱体的稳定性，又容易密封；
21.4)采用上套筒和下套筒配合夹持，便于对疲劳试样进行夹持及对中；
22.5)腐蚀容器箱侧壁通孔内外面分别加固橡胶皮，一方面起到密封作用，另一方面使引伸计伸长杆能上下自由运动。
附图说明
23.图1为本发明基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置优选实施例的结构示意图；
24.图2为本发明基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置中腐蚀容器箱的结构示意图；
25.图3为本发明基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置中螺纹连接杆的结构示意图；
26.图4为本发明基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置中下套筒的结构示意图；
27.图5为本发明基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置中上套筒的结构示意图；
28.图6为本发明基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置中橡胶垫片的结构示意图；
29.图7为本发明基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置中疲劳试样的结构示意图。
30.图中，1-下夹块；2-腐蚀容器箱；3-紧固螺栓；4-引伸计；5-上夹块；6-上套筒；7-疲劳试样；8-下套筒；9-下连接杆；10-内螺纹孔；11-支撑底盘；12-橡胶皮；13-通孔；14-缝隙；15-螺纹连接杆。
31.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
32.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.本发明提出一种基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置。
35.参照图1至图7，本优选实施例中，一种基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置，包括载荷施加系统、腐蚀容器箱2、夹持机构以及引伸计4，其中，夹持机构用于夹持疲劳试样7的两端，载荷施加系统包括位于夹持机构上方的上夹具以及位于腐蚀容器箱2下方的下夹具，引伸计4通过悬臂梁固定在立柱上且相对于立柱可自由转动，引伸计4的伸长杆为耐腐蚀陶瓷杆，腐蚀容器箱2的侧壁上开设有通孔13(本实施例中，腐蚀容器箱2侧壁开设有两个椭圆形孔)，通孔13的内外两侧均粘贴有橡胶片(本实施例中采用长方形橡胶片，橡胶片的弹性要好，以满足密封性能)以进行密封，橡胶片上开设有缝隙14(每块橡胶片上开设有两道缝隙14，缝隙14长度使引伸计4伸长杆能通过即可)，引伸计4的伸长杆经橡胶片上的缝隙14伸入腐蚀容器箱2内部与疲劳试样7接触，引伸计4的另一端与控制器连接。
36.参照图7，疲劳试样7为两端带外螺纹的哑铃状圆棒试样。为防止拉压过程中疲劳试样7发生弯曲，疲劳试样7的平行部尽可能短，总长度不大于15mm为宜，疲劳试样7的表面光洁度要达到国家标准gb/t26076-2010的要求。
37.具体地，结合参照图1、图4和图5，夹持机构包括上套筒6和下套筒8，上套筒6和下套筒8分别套于夹持疲劳试样7的上下两端且与其螺纹连接，下套筒8位于腐蚀容器箱2内部且与其固定连接，上夹具与上套筒6连接以对其施加载荷。
38.本实施例中，参照图2，腐蚀容器箱2包括底部开设有圆孔的容器本体以及位于容器本体底部且将其圆孔密封的底座，该底座包括中部开设有螺纹孔(即内螺纹孔10)的支撑底盘11(为圆盘结构)、以及位于支撑底盘11螺纹孔下方的下连接杆9，下连接杆9的内部开设有螺纹孔以与支撑底盘11的螺纹孔同心设置，下夹具与下连接杆9螺纹连接，底座通过螺纹连接杆15与下套筒8可拆卸连接。容器本体可设置为长方体。容器本体上的圆孔大小与底
座内螺纹孔大小相等。
39.本实施例中，支撑底盘11与容器本体之间通过玻璃胶密封连接以防止液体渗漏。支撑底盘11与下连接杆9之间也可通过玻璃胶密封连接。
40.具体地，参照图1至图3，螺纹连接杆15的顶部插入下套筒8内部且与其螺纹连接，螺纹连接杆15的底部插入支撑底盘11和下连接杆9的螺纹孔中以将底座与下套筒8可拆卸连接。
41.参照图1，进一步地，螺纹连接杆15与底座内螺纹孔连接处通过紧固螺栓3锁紧以防止其转动。紧固螺栓3的轴线与螺纹连接杆15的轴线垂直设置。
42.参照图1，上夹具和下夹具均包括开设有楔形开口的夹头以及容纳于楔形开口内的夹块(夹块呈楔形，与夹头的楔形开口刚好适配，位于上方的为上夹块5，下方的为下夹块1)，夹块与上套筒6或下连接杆9螺纹连接(上夹块5与上套筒6螺纹连接，下夹块1与下连接杆9螺纹连接)。
43.本实施例中，通过设置楔形开口，从而可有效对夹块进行限位防止其松脱，同时这种结构也便于夹块的安装(夹块从图1所示楔形开口的两侧而非底面插入)。
44.进一步地，上套筒6的外径与下连接杆9外径相同，从而保证疲劳试样7的对中，保证了向疲劳试样7增加载荷的精确性。
45.本实施例中，下套筒8的外径大于螺纹连接杆15的直径，下套筒8下端内螺纹直径与螺纹连接杆15的外径相匹配，下套筒8上端的内螺纹孔与上夹具的螺纹尺寸相匹配；腐蚀容器箱2采用有机玻璃制成，腐蚀容器箱2上方不需要盖板。上套筒6的内螺纹尺寸要与疲劳试样7的上部螺纹尺寸规格相同，能使其上部可拧入上套筒6内。
46.本基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置其工作原理如下：
47.待测疲劳试样7的两端均设有外螺纹，将待测疲劳试样7其两端通过上套筒6和下套筒8夹持后，下套筒8与腐蚀容器箱2固定，上套筒6与载荷施加系统的上夹具固定，载荷施加系统的下夹具与腐蚀容器箱2的底座固定，引伸计4的伸长杆穿过腐蚀容器箱2侧壁橡胶片上缝隙14与疲劳试样7接触，引伸计4的另一端与控制器连接；
48.向腐蚀容器箱2中加入腐蚀液，使整个疲劳试样7浸泡在腐蚀液中，同时控制上夹具与腐蚀液不接触，通过载荷施加系统向疲劳试样7增加载荷，使疲劳试样7在给定应变大小下进行循环试验，同时引伸计4的伸长杆实时测量疲劳试样7的变形量。
49.本实施例提出的基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置，具有以下有益效果：
50.1)本测试装置一方面实现了试样在腐蚀溶液中引伸计4应变控制疲劳试验，另一方面可防止了液体腐蚀试验机系统；
51.2)本测试装置实现了引伸计4精确接触试样，并能将该变形量反馈给控制软件来控制试验，实现应变闭环控制，提高了测试精度；
52.3)腐蚀容器箱2由支撑底盘11托住，即保证了箱体的稳定性，又容易密封；
53.4)采用上套筒6和下套筒8配合夹持，便于对疲劳试样进行夹持及对中；
54.5)腐蚀容器箱2侧壁通孔13内外面分别加固橡胶皮12，一方面起到密封作用，另一方面使引伸计4伸长杆能上下自由运动。
55.本发明进一步提出一种基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳的测试方法。
56.本优选实施例中，一种基于上述的基于腐蚀环境下金属材料应变疲劳测试装置的测试方法，包括以下步骤：
57.待测疲劳试样7的两端均设有外螺纹，将待测疲劳试样7其两端通过上套筒6和下套筒8夹持后，下套筒8与腐蚀容器箱2固定，上套筒6与载荷施加系统的上夹具固定，载荷施加系统的下夹具与腐蚀容器箱2的底座固定，引伸计4的伸长杆穿过腐蚀容器箱2侧壁橡胶片上缝隙14与疲劳试样7接触，引伸计4的另一端与控制器连接；
58.向腐蚀容器箱2中加入腐蚀液，使整个疲劳试样7浸泡在腐蚀液中，同时控制上夹具与腐蚀液不接触，通过载荷施加系统向疲劳试样7增加载荷，使疲劳试样7在给定应变大小下进行循环试验，同时引伸计4的伸长杆实时测量疲劳试样7的变形量。
59.本实施例提出的测试方法，其思路明确，方法易于操作，得到的数据精度高且科学可靠。
60.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。