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一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价方法

阅读：1034发布：2020-08-29

IPRDB可以提供一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种工程材料实验方法和损伤评价方法，具体为一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价方法；包括实验系统和用于操作该实验系统的方法，其中实验系统包括风沙环境模拟系统和冲蚀室；基于风沙环境实验系统下的工程材料损伤评价方法，包括失重量评级方法和失重率评价方法，其中失重量为磨损试验前后试件的质量之差，即：，失重率为磨损实验前后试件质量之差与该段时间用沙总质量之比，即：；本发明中的实验系统具有可较真实模拟实际风沙侵蚀环境，冲蚀力学参数易于准确控制、试验周期短、研究成本低的优点，实验损伤评价方法从宏观和微观两个方面探明工程材料冲蚀磨损规律和损伤机理。，下面是一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验，其特征在于，包括实验系统和用于操作该实验系统的方法，其中实验系统包括风沙环境模拟系统和冲蚀室，其中风沙环境模拟系统用于模拟风沙环境，冲蚀室用于固定实验试件。

2.根据权利要求1所述的一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验，其特征在于，所述的风沙环境模拟系统包括空气压缩机，其中空气压缩机与喷砂枪相连接，喷沙枪与沙箱相连接并将枪内的风沙射向冲蚀室中的试件，其中空气压缩机与喷沙枪之间设置有气流控制阀，喷沙枪与沙箱之间设置有沙量控制阀；试件上设置有风速仪，试件下方设置有回收箱。

3.根据权利要求1所述的一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验，其特征在于，所述的实验方法包括以下步骤：调整风沙的冲蚀角度及沙枪枪口到试件表面的距离，并使沙枪枪口正对试件表面中心；

启动空气压缩机产生高压气流通过导管、油水分离器与沙枪相连接，并用风速仪测定风沙流到达受冲蚀表面时的瞬时速度；

将沙粒过筛，设置不同沙漏的孔径，通过流量控制阀控制下沙率；

打开喷沙枪开关，高速运动的气流致使枪管内部气压明显小于外部大气压，沙粒通过重力作用，途径漏斗进入沙管，在强大的气压差推动下，进入沙枪管由气流挟带沙粒子进入冲蚀室；

通过秒表控制冲蚀时间，并记录时间。

4.根据权利要求3所述的一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验，其特征在于，所述的步骤（1）中的冲蚀角度的调整为调整试件与喷沙枪的角度，其中角度的调整范围为0°~90°。

5.一种基于权利要求1所述的一种风沙环境下工程材料损伤评价方法，其特征在于，包括失重量评级方法和失重率评价方法，其中失重量为磨损试验前后试件的质量之差，即：，其中m1、m2分别为冲蚀前、后试件质量，单位g；

失重率为磨损实验前后试件质量之差与该段时间用沙总质量之比，即：

，其中α为冲蚀率，无量纲；m1、m2分别为冲蚀前、后试件

质量，单位g；ms为下沙率，单位g/min；t为冲蚀时间，单位min。

6.根据权利要求5所述的一种风沙环境下工程材料损伤评价方法，其特征在于，所述的失重量评价方法为设置不同时间段进行侵蚀实验，并的到不同时间内的失重量，并以时间和失重量为条件得到失重量随时间增长曲线，并通过时间增长曲线的斜率确定材料受风沙侵蚀对破落分离的难易程度。

7.根据权利要求5所述的一种风沙环境下工程材料损伤评价方法，其特征在于，所述的失重率评价方法为通过失重率的大小来判定工程材料的抗冲蚀能力，失重率越大，单位质量沙粒的冲蚀磨损效率越高，则材料的抗冲蚀能力越小。

8.根据权利要求6所述的一种风沙环境下工程材料损伤评价方法，其特征在于，所述的增长曲线斜率越大，则材料受风沙冲蚀易破落分离，即材料的抗冲蚀能力越小。

说明书全文

一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种工程材料实验方法和损伤评价方法，具体为一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价方法。

背景技术

[0002] 我国是世界上沙漠面积较大、分布较广、沙漠化危害严重的国家之一，全国沙化总面积已逾174万平方千米，占全国土地面积近20%。风沙侵蚀成为我国北方地区的主要环境灾害之一，严重影响沙漠地区的输电塔、通信塔等钢结构，高速公路，高架桥梁，厂房和房屋等基础设施的安全使用。风沙对工程材料的侵蚀作用表现为：在运动气流携带作用下，沙粒脱离地表并随气流快速移动，对该区域内基础设施所产生的剪切力和冲击力引起材料表面划痕甚至大面积剥落分离。在实际工程当中，有些钢结构、桥梁、路面等基础设施在风沙侵蚀作用下已经出现麻面、表层脱落等破坏现象，使构件的耐久性和安全性降低、服役能力下降、服役寿命缩短。但由于其复杂性，完全模拟实际工况下的冲蚀磨损破坏十分困难，并且由于影响因素多，试验周期长，以及试验方法不统一等特点，致使风沙侵蚀磨损规律及其机理的研究还不够深入。为了提高该地区基础设施用材的耐久性，探究多因素作用下材料冲蚀磨损规律，模拟与实际工况服役状态基本一致、参数易于调节的试验条件，本发明分析了特殊区域下沙漠环境的气候特点，总结出一种能够有效模拟风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价的研究方法。该研究方法能够分析其在不同环境参数（冲蚀角度、冲蚀速度、下沙率和冲蚀时间）下的冲蚀磨损特征，并通过冲蚀磨损部位微观形貌观测，分析材料冲蚀损伤病害和灾变机理，研究风沙侵蚀磨损规律与损伤程度的评价方法。研究成果可为风沙环境下基础设施的防护技术和耐久性评价提供理论依据。

[0003] 目前关于材料冲蚀的研究主要集中在液固两相流方面，多是工程材料和机械易损材料的冲蚀磨损。具有一定的技术特点和代表性，但此方法仅能够研究液体单相流或液固两相流方面的冲蚀过程，并不能有效模拟风沙环境下气固两相流的冲蚀磨损行为，具有一定的局限性。

发明内容

[0004] 为了解决以上的技术问题，本发明提供一种可以工程材料的损伤实验方法和评价方法，以下是具体技术方案：一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验，包括实验系统和用于操作该实验系统的方法，其中实验系统包括风沙环境模拟系统和冲蚀室，其中风沙环境模拟系统用于模拟风沙环境，冲蚀室用于固定实验试件。

[0005] 进一步的，风沙环境模拟系统包括空气压缩机，其中空气压缩机与喷沙枪相连接，喷沙枪与沙箱相连接并将枪内的风沙射向冲蚀室中的试件，其中空气压缩机与喷沙枪之间设置有气流控制阀，喷沙枪与沙箱之间设置有沙量控制阀；试件上设置有风速仪，试件下方设置有回收箱。

[0006] 其中，实验方法包括以下步骤：（1）调整风沙的冲蚀角度及沙枪枪口到试件表面的距离，并使沙枪枪口正对试件表面中心；
（2）启动空气压缩机产生高压气流通过导管、油水分离器与沙枪相连接，并用风速仪测定风沙流到达受冲蚀表面时的瞬时速度；
（3）将沙粒过筛，设置不同沙漏的孔径，通过流量控制阀控制下沙率；
（4）打开喷沙枪开关，高速运动的气流致使枪管内部气压明显小于外部大气压，沙粒通过重力作用，途径漏斗进入沙管，在强大的气压差推动下，进入沙枪管由气流挟带沙粒子进入冲蚀室；
（5）通过秒表控制冲蚀时间，并记录时间。

[0007] 进一步的，步骤（1）中的冲蚀角度的调整为调整试件与喷沙枪的角度，其中角度的调整范围为0°~90°。

[0008] 一种基于风沙环境实验系统下的工程材料损伤评价方法，包括失重量评级方法和失重率评价方法，其中失重量为磨损试验前后试件的质量之差，即：，其中m1、m2分别为冲蚀前、后试件质量，单位g；
失重率为磨损实验前后试件质量之差与该段时间用沙总质量之比，即：
，其中α为冲蚀率，无量纲；m1、m2分别为冲蚀前、后试件
质量，单位g；ms为下沙率，单位g/min；t为冲蚀时间，单位min。

[0009] 进一步的，失重量评价方法为设置不同时间段进行侵蚀实验，并的到不同时间内的失重量，并以时间和失重量为条件得到失重量随时间增长曲线，并通过时间增长曲线的斜率确定材料受风沙侵蚀对破落分离的难易程度。

[0010] 进一步的，失重率评价方法为通过失重率的大小来判定工程材料的抗冲蚀能力，失重率越大，单位质量沙粒的冲蚀磨损效率越高，则材料的抗冲蚀能力越小。

[0011] 进一步的，增长曲线斜率越大，则材料受风沙冲蚀易破落分离，即材料的抗冲蚀能力越小。

[0012] 有益效果：本发明中的模拟风沙环境侵蚀实验方法与实验系统具有可较真实模拟实际风沙侵蚀环境，冲蚀力学参数（冲蚀速度、角度、时间、沙浓度）易于准确控制、试验周期短、研究成本低的优点；更适用范围广，能有效模拟风沙环境下各种工程材料的冲蚀试验；并且试验结果准确可行，失重量/失重率的测定结合微观形貌特征（表面特征、三维形貌、粗糙度、体积损失率等）的分析可以更加全面的对冲蚀磨损程度进行损伤评价研究；实验损伤评价方法从宏观和微观两个方面探明工程材料冲蚀磨损规律和损伤机理。

附图说明

[0013] 图1为本发明风沙实验系统的结构示意图；其中：1、空气压缩机2、沙箱3、喷沙枪4、冲蚀室5、试件6、风速仪7、回收箱8、气流控制阀
9、沙量控制阀。

具体实施方式

[0014] 一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验，包括实验系统和用于操作该实验系统的方法，其中实验系统包括风沙环境模拟系统和冲蚀室4，其中风沙环境模拟系统用于模拟风沙环境，冲蚀室4用于固定实验试件5。

[0015] 进一步的，风沙环境模拟系统包括空气压缩机1，其中空气压缩机1与喷沙枪3相连接，喷沙枪3与沙箱2相连接并将枪内的风沙射向冲蚀室中的试件5，其中空气压缩机1与喷沙枪3之间设置有气流控制8阀，喷沙枪与沙箱2之间设置有沙量控制阀9；试件上设置有风速仪6，试件5下方设置有回收箱7。

[0016] 进一步的，实验方法包括以下步骤：（1）调整风沙的冲蚀角度及沙枪枪口到试件表面的距离，并使沙枪枪口正对试件表面中心；
（2）启动空气压缩机产生高压气流通过导管、油水分离器与沙枪相连接，并用风速仪测定风沙流到达受冲蚀表面时的瞬时速度；
（3）将沙粒过筛，设置不同沙漏的孔径，通过流量控制阀控制下沙率；
（4）打开喷沙枪开关，高速运动的气流致使枪管内部气压明显小于外部大气压，沙粒通过重力作用，途径漏斗进入沙管，在强大的气压差推动下，进入沙枪管由气流挟带沙粒子进入冲蚀室；
（5）通过秒表控制冲蚀时间，并记录时间。

[0017] 进一步的，步骤（1）中的冲蚀角度的调整为调整试件与喷沙枪的角度，其中角度的调整范围为0°~90°。

[0018] 模拟风沙环境侵蚀实验系统装置能够模拟风沙环境对于房屋、道路、钢结构桥梁及塔架等建（构）筑物的冲蚀磨损行为，进行不同风沙环境冲蚀力学参数下的冲蚀磨损实验，为分析材料冲蚀磨损规律、侵蚀机理和损伤评价提供基础条件和理论依据。

[0019] 工作原理：该系统由高压气源、供沙系统、冲蚀系统和沙回收室组成。其中，高压气源通过空气压缩机提供高速气流并由稳压阀和风速测定仪调控冲蚀速度，供沙系统用于调节下沙率，冲蚀系统由冲蚀箱、夹具组成，夹具可按照试验要求调节冲蚀角度，以及冲蚀距离，沙回收室可将沙粒回收。

[0020] 模拟风沙环境冲蚀实验系统示意图如图1所示，该试验方法操作简单，试验参数可调范围广，可操作性好，大大缩短了实验时间，实现了实验室条件下工程材料的冲蚀磨损研究。

[0021] 一种基于风沙环境实验下的工程材料损伤评价方法，包括失重量评级方法和失重率评价方法，其中失重量为磨损试验前后试件的质量之差，即：，其中m1、m2分别为冲蚀前、后试件质量，单位g；
失重率为磨损实验前后试件质量之差与该段时间用沙总质量之比，即：
，其中α为冲蚀率，无量纲；m1、m2分别为冲蚀前、后试件
质量，单位g；ms为下沙率，单位g/min；t为冲蚀时间，单位min。

[0022] 其中，失重量评价方法为设置不同时间段进行侵蚀实验，并的到不同时间内的失重量，并以时间和失重量为条件得到失重量随时间增长曲线，并通过时间增长曲线的斜率确定材料受风沙侵蚀对破落分离的难易程度，其中增长曲线斜率越大，则材料受风沙冲蚀易破落分离，即材料的抗冲蚀能力越小。

[0023] 失重率评价方法为通过失重率的大小来判定工程材料的抗冲蚀能力，失重率越大，单位质量沙粒的冲蚀磨损效率越高，则材料的抗冲蚀能力越小。

[0024] 风沙环境实验通过采用气流挟沙喷射法，即以高压空气为动力，形成高速挟沙气流冲击磨损试样表面，然后以失重量/失重率评价材料的抗冲击磨损性能进行材料的冲蚀磨损试验，是一种能够有效模拟特殊区域中风沙环境下材料的冲蚀实验方法。该方法通过研究材料冲蚀磨损失重量/失重率与不同风沙环境下冲蚀力学参数即冲蚀角度，冲蚀速度，下沙率和冲蚀时间之间的关系，分析材料的冲蚀磨损行为和侵蚀机理。该快速模拟方法可大大缩短实验周期，加快新型抗磨材料的研发。由于高速含沙气流具有足够的能量，可对材料进行清洗、剥层、切割等工序，故可将其广泛应用于各种材料冲蚀磨损实验。选取适合的实验参数，即可实现材料的可控冲蚀与磨损。另外，该方法具有试样尺寸小，实验参数调整方便及实验数据精度高等特点，是一种比较理想的快速模拟实验方法。

[0025] 测算沙粒硬度、粒径分布、堆积密度等参数，分别控制不同冲蚀力学参数即冲蚀角度，冲蚀速度，下沙率，冲蚀时间进行模拟风沙环境下冲蚀实验。该方法为全面考虑各种影响因素透彻剖析，分别从宏观和微观两方面进行测算。宏观上，计算靶材冲蚀率，探究不同冲蚀力学参数下应力-应变关系，运用接触力学、断裂力学及弹塑性力学等理论知识结合材料特性揭示冲蚀磨损机制，评价其冲蚀磨损程度；微观上，观测不同工况下受冲蚀表面微观形貌，结合划痕和犁沟、冲蚀坑深度和体积及内壁倾斜角、交叉裂纹和微破坏区等微观特征，从材料性质和内部结构等角度解释其形成过程，探究靶材体积剥落和质量损失的冲蚀破坏机理。

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