一种对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统

摘要

一种对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统由海水容器1、微型水泵2、橡胶导管3、水流控制阀4、双层防漏腐蚀装置5、试样固定端6、试样表面裂纹端7、低周疲劳试验试样端8、试样加载端9、导管10、过滤箱11构成。海水容器插入微型水泵，橡胶导管联接微型水泵和水流控制阀并与双层防漏腐蚀装置联通，在双层防漏腐蚀装置上可以固定试样固定端、试样表面裂纹端、低周疲劳试验试样端以及实施试样加载端，双层防漏腐蚀装置的另一端再通过导管与过滤箱联通，经过滤后回至海水容器。可进行悬臂弯曲加载模式下的低周腐蚀疲劳试验，改变以往用空气疲劳性能数据代替海水中疲劳性能数据进行金属校核现状，增加了舰船的安全、可靠、服役寿命。

权利要求

1.一种对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统，其特征在于：该系统主要由海水容器(1)、微型水泵(2)、橡胶导管(3)、水流控制阀(4)、双层防漏腐蚀装置(5)、试样、导管(10)、过滤箱(11)构成，所述试样包含试样固定端(6)、试样表面裂纹端(7)、低周疲劳试验试样端(8)、试样加载端(9)，其中海水容器插入微型水泵，橡胶导管联接微型水泵和水流控制阀并与双层防漏腐蚀装置联通，在双层防漏腐蚀装置的一端上分别固定试样固定端、试样表面裂纹端、低周疲劳试验试样端和试样加载端，双层防漏腐蚀装置的另一端通过导管与过滤箱联通，经过滤后回至海水容器；所述双层防漏腐蚀装置由内盒(51)、外盒(52)、外盒出水孔(53)、加长螺钉(54)、内盒出水孔(55)、试样贯穿孔(56)、内盒入水孔(57)、外盒橡胶导管穿越口(58)、胶皮(59)、有机玻璃板(510)构成，其中外盒呈长方形，其上设置外盒出水孔和外盒橡胶导管穿越口，在外盒上安放呈长方形但比外盒小的内盒，内盒的正面由两块有机玻璃板中间夹橡胶垫构成，并设置试样贯穿孔，橡胶垫的贯穿孔要小于有机玻璃的贯穿孔；通过加长螺钉固定在内盒侧面两端，在内盒侧面两端分别设置出水孔和入水孔，且入水孔高于出水孔。

2.一种如权利要求1所述的对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统的设计方法，其特征在于：其设计方法是建立了提供驱动海水循环流动的动力源微型水泵、控制进水量大小的水流控制阀、保证试样裂纹始终处在海水中而又便于清楚观察的双层防漏腐蚀装置，确保海水始终干净清洁的过滤箱及若干橡胶导管，每个环节既相对独立又彼此联系，构成了确保试样工作部分裂纹始终处在模拟流动自然海水中。

说明书

一种对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统

技术领域

[0001] 本发明属于材料试验技术领域，更确切地说，涉及到一种对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统。

背景技术

[0002] 在腐蚀介质中进行金属材料的疲劳裂纹扩展速率试验时，GB/T6398-2000“金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法”中推荐了采用标准M(T)试样及标准C(T)试样进行试验时腐蚀溶液循环系统的设计示意图。对于标准M(T)试样，标准中只给出了简单的示意图，图中并没有进一步说明如何防止腐蚀液的渗漏问题。从示意图上看，随着试样的周期往复运动，腐蚀溶液难免要渗漏到试验机上(国内很多单位用的试验机都是价格昂贵的进口设备)，至少当试样疲劳断裂后溶液无法避免不泄漏，按照示意图设计溶液循环系统可操作性不强，不可取；对于C(T)试样，示意图中的溶液循环系统只是针对卧式试验机设计的，而目前国内绝大多数单位使用的疲劳试验机都是立式的，因此借鉴设计意义不大。其它最新的疲劳试验标准中均没有提及腐蚀循环系统具体如何设计和应用。

[0003] 部分文献中提到过设计溶液循环系统时所选用的材料及制作思路，但基本上都是针对轴向加载(这种加载模式相对容易设计制作)标准试样的，很少见到文献提及如旋转弯曲加载、悬臂弯曲加载等非轴向加载模式下循环系统的设计制作方法。而且，很少提及如何确保腐蚀液不渗漏到试验机上，即对循环系统各个环节的密封方法很少有详细的文字说明。

[0004] 总之，尚未见到有关在悬臂弯曲加载模式下进行低周腐蚀疲劳试验用海水循环系统成功设计范例的报道。

发明内容

[0005] 为解决上述问题，本发明提出了一种对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统，该系统集驱动海水循环流动的动力源、控制进水量大小的水控装置、保证金属试样裂纹始终处在海水中的海水循环装置、确保海水始终干净清洁的过滤装置等于一体，可以确保金属试样工作部分裂纹始终处在模拟流动的自然海水中。因此，该系统的成功设计，可以保证舰船用金属材料在海水(也可以是其它如江水、盐水等腐蚀溶液)中进行悬臂弯曲这种特殊加载模式下的低周腐蚀疲劳试验，改变了以往用空气中舰船材料的疲劳性能数据代替海水中疲劳性能数据进行舰船设计和疲劳寿命校核的现状，为增加舰船的安全、可靠、服役寿命提供了保障。

[0006] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 所述的对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统，其设计方法是建立了提供驱动海水循环流动的动力源微型水泵、控制进水量大小的水流控制阀、保证试样裂纹始终处在海水中而又便于清楚观察的双层防漏腐蚀，确保海水始终干净清洁的过滤箱及若干橡胶导管等，每个环节既相对独立又彼此联系，构成了确保试样工作部分裂纹始终处在模拟流动自然海水中。

[0008] 所述的对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统，主要由海水容器、微型水泵、橡胶导管、水流控制阀、双层防漏腐蚀装置、试样固定端、试样表面裂纹端、低周疲劳试验试样端、试样加载端、导管、过滤箱构成，其中海水容器插入微型水泵，橡胶导管联接微型水泵和水流控制阀并与双层防漏腐蚀装置联通，在双层防漏腐蚀装置上可以固定试样固定端、试样表面裂纹端、低周疲劳试验试样端以及实施试样加载端，双层防漏腐蚀装置的另一端再通过导管与过滤箱联通，经过滤后回至海水容器。

[0009] 所述的对金属材料进行腐蚀疲劳试验的海水循环系统，其双层防漏腐蚀装置由内盒、外盒、外盒出水孔、加长螺钉、内盒出水孔、试样贯穿孔、内盒入水孔、外盒橡胶导管穿越口、胶皮、有机玻璃板构成，其中外盒呈长方形，其上设置外盒出水孔和外盒橡胶导管穿越口，在外盒上安放呈长方形但比外盒小的内盒，内盒的正面由两块有机玻璃板中间夹橡胶垫构成，并设置试样贯穿孔，橡胶垫的贯穿孔要小于有机玻璃的贯穿孔；通过加长螺钉固定在内盒侧面两端，在内盒侧面两端分别设置出水孔和入水孔，且入水孔高于出水孔。

[0010] 由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

[0011] 一、本发明的海水循环系统，可以驱动海水做周期循环，根据需要控制水流量大小；以有机玻璃和橡胶垫相结合设计的双层防漏、开放、一体式腐蚀装置可以确保循环海水将试样裂纹始终浸泡其中而又不会因泄漏腐蚀试验设备，便于读数显微镜随时观察裂纹的扩展情况，同时在试验过程中，随着试样作大幅度周期性的上下往复运动，橡胶垫承受了因试样上下大幅运动而使盒体遭受破坏的全部作用力。解决了传统上常采用整体设计方法而使试样在往复运行中易损坏腐蚀装置的难题。

[0012] 二、回水过滤箱可以滤去腐蚀产物，确保海水干净清洁，避免腐蚀产物进入裂纹尖端而影响对裂纹扩展长度的观察。

[0013] 三、整个用于悬臂弯曲加载模式下的海水循环系统可以提供一个模拟海水流动的海洋环境，能够满足舰船用金属材料在该种加载模式下进行腐蚀疲劳试验的需要。

附图说明

[0014] 图1是本发明海水循环系统示意图；

[0015] 图2是本发明双层防漏腐蚀装置示意图；

[0016] 上述图中：1-海水容器；2-微型水泵；3-橡胶导管；4-水流控制阀；5-双层防漏腐蚀装置；6-试样固定端；7-试样表面裂纹端；8-低周疲劳试验试样端；9-试样加载端；10-导管；11-过滤箱；51-内盒；52-外盒；53-外盒出水孔；54-加长螺钉；55-内盒高出水孔；56-试样贯穿孔；57-内盒低入水孔；58-外盒橡胶导管穿越口；59-胶皮；510-有机玻璃板。

具体实施方式

[0017] 结合图1，提供驱动海水循环流动的动力源微型水泵、控制进水量大小的水流控制阀、保证试样裂纹始终处在海水中而又便于清楚观察的双层防漏腐蚀装置、确保海水始终干净清洁的过滤箱及若干橡胶导管等，每个环节既相对独立又彼此联系，构成了确保试样工作部分裂纹始终处在模拟流动自然海水的海水循环系统。

[0018] 过去进行轴向腐蚀疲劳试验时，常常设计一个孤立的腐蚀装置，随着试验的进行，由于腐蚀产物不断进入到腐蚀液中而使试样裂纹长度无法清楚观察，即使采取一定措施使腐蚀液循环流动起来，也往往因在腐蚀装置中设计加工大小不一、数量不等的进、出水口，不容易保持一定高度的液面，最终使试验无法正常开展。鉴于这种情况，能否在腐蚀装置上只设计加工一个进水口和一个出水口，在水路上直接安装水流控制阀，来达到控制水流量大小的目的，以维持腐蚀装置中一定高度的液面，既保证试样裂纹浸泡其中，又不至于因泄漏而腐蚀试验设备？考虑到悬臂弯曲这种特殊加载模式，试样上下往复摆动的振幅较大，按以往的设计思路，设计成单层、分离式的腐蚀装置将不容易保证海水不泄漏，在试验过程中也难以保证腐蚀装置不被运动的试样压坏，因此，可以考虑将腐蚀装置设计成双层一体的，为方便清楚观察裂纹的扩展情况，还需要将腐蚀装置设计成开放式的，以便于显微镜的直接观察。基于上述考虑，将腐蚀装置设计成具有双层防漏、开放、一体的特点。为了能够清楚观察裂纹扩展情况，需要在回路中过滤掉金属材料在海水中的腐蚀产物，这就需要增加过滤箱。综合以上分析，形成了用于低周腐蚀疲劳试验的海水循环系统设计思路。

[0019] 以往的设计中，往往采用进、出水口大小不一或数量不等的方法保持腐蚀装置内一定高度的液面，这样做常常难以确保进、出水量的平衡，而且需要反复试验摸索寻求平衡点，在反复的试验摸索过程中，腐蚀液难免不会泄漏到试验机夹头、夹块及台面上，试验机的防腐问题比较突出，如果采用合适的水流控制阀，随时根据需要控制进水量，则上述问题可以避免。另外，由于疲劳试验的周期往往很长，在整个试验过程中，海水常常会腐蚀试验材料，形成腐蚀产物，腐蚀产物聚集在不断扩展的裂纹尖端，既会影响裂纹的扩展，又不利于裂纹扩展情况的观察。因此，在循环系统中增加过滤箱也是必要的。

[0020] 结合图2，双层防漏腐蚀装置是本发明系统的中心环节。该装置采用不同厚度的有机玻璃板及相应粘合剂、胶皮、加长螺钉、玻璃密封胶等材料制作而成，具有低入水孔和高出水孔、双层防漏、开放、一体式特征。采用透明的有机玻璃及相应粘合剂作为腐蚀装置的设计制作基材，一方面是便于加工，另一方面是可以随时观察海水的进出流量及表面裂纹的扩展长度。在试样贯穿所经过的前后两块挡板中间各加上一层柔韧、易于变形的胶皮(可以根据试样横截面的大小来确定剪去的胶皮量)，以保证能够紧帖试样的四个表面，增加密封性，同时，试样与胶皮的内外表面接触处用玻璃密封胶封住，尽量确保海水不从试样与腐蚀装置的接触处泄漏。退一步讲，即使海水从试样与腐蚀装置内盒的接触处泄漏出来，流至腐蚀装置的外盒，再从外盒的出水孔流回海水容器，也不会泄漏至试验机上腐蚀试验机夹头、夹块及台面。设计成开放式是为了显微镜能够在较大范围内观察整个表面裂纹的扩展情况，一体式的特点可以保证跟着试样做上下同步运动，避免大振幅的试样将其压坏。该双层防漏腐蚀装置可以确保循环海水将试样裂纹始终浸泡其中而又不会因泄漏腐蚀试验设备，便于显微镜随时观察裂纹扩展情况，可以灵活随试样作大幅度周期性上下往复运动。

[0021] 本发明的海水循环系统中各部件作用如下：

[0022] 图1中：海水容器1用有机玻璃板设计制作，用来盛放腐蚀疲劳试验用的海水。微型水泵2用来提供海水作周期循环的动力。橡胶导管3用来引导海水进入双层防漏腐蚀装置。水流控制阀4，用来控制水流量的大小。双层防漏腐蚀装置5用来保持一定液面海水，以确保试样表面裂纹一直浸泡在海水中。试样的固定端6、试样的表面裂纹7、腐蚀环境中进行低周疲劳试验用试样8、试样的受力端9。引导海水流回容器的导管10。过滤装置11用来过滤试样腐蚀产物，以确保海水始终干净清洁，便于观察表面裂纹的扩展。

[0023] 图2中：双层防漏腐蚀装置的内盒51主要用来盛放一定高度液面的海水。双层防漏腐蚀装置的外盒52用来承接可能从试样与内盒的接触处泄漏的海水。外盒出水孔53用来引导泄漏的海水流至海水容器中。加长螺钉54(四个)用来固定内盒有机玻璃板与橡胶垫。内盒高出水孔55用来引导保持一定液面后多余的海水流至海水容器中。试样贯穿孔56(两个)用来卡固试样。内盒低入水孔57是海水进入内盒的通道。外盒橡胶导管穿越口58，橡胶导管从该口进入和内盒低入水口57联接。胶皮59用来密封试样。有机玻璃板
510用来固定胶皮59。

[0024] 本发明的海水循环系统，进行了海水环境下悬臂弯曲加载低周腐蚀疲劳试验。试验频率为1.0Hz，波形为正弦波，采用载荷模式控制，对应位移振幅为±6mm。通过间接电位法测量表面裂纹两侧的电压，采用显微镜观察单向表面裂纹扩展长度。其试验结果见下表；

[0025]U/mV a/mm U/mV a/mm
121.42 27.45 0.00 0.00
123.18 27.60 1.76 0.15
132.15 28.47 10.73 1.02
132.92 28.57 11.50 1.12
134.71 28.82 13.29 1.37
136.67 28.92 15.25 1.47
138.58 29.08 17.16 1.63
141.34 29.23 19.92 1.78
142.84 29.33 21.42 1.88
145.47 29.51 24.05 2.06
146.77 29.59 25.35 2.14
147.58 29.66 26.16 2.21
149.10 29.81 27.68 2.36
150.41 29.91 28.99 2.46
153.55 30.16 32.13 2.71
155.68 30.25 34.26 2.80
156.35 30.28 34.93 2.83
157.90 30.44 36.48 2.99

[0026] 表1中，U和U分别表示间接电位法测量表面裂纹两侧电压及电压的增量，a和a分别为通过显微镜观察到的单侧表面裂纹长度读数及表面裂纹扩展长度增量。

[0027] 试验过程表明，海水循环系统没有发生海水泄漏的情况，整个试验过程中可以清楚地观察到试样表面裂纹扩展的长度。表1中试验结果表明，本发明建立的海水循环系统能够提供持续不断的流动海水，模拟了真实的海水环境，可以满足进行悬臂弯曲加载低周腐蚀疲劳试验的需要。