低温腐蚀环境下的材料高应变蠕变-疲劳耦合试验方法

技术领域

本发明涉及材料高应变蠕变-疲劳耦合测试技术领域，具体的说是低温腐蚀环境下的材料高应变蠕变-疲劳耦合试验方法。

背景技术

蠕变试验和疲劳试验是材料安全性评价的重要方法，为评价结构材料在深海复杂环境的服役性能，需对材料在低温腐蚀环境下的高应变疲劳与蠕变性能开展试验。目前国内外开展低温腐蚀环境中疲劳蠕变耦合加载相关研究的较少，也没找到相关的专业试验设备。进行低温腐蚀环境中疲劳蠕变耦合加载存在以下困难：低温长时试验一般通过低温环境箱的方式实现，但环境箱腔体较大，试验需要较长的连接杆，不利于疲劳试验的稳定性；环境箱为封闭环境，难以有效观察溶液挥发水平以及补充溶液，易导致温度与腐蚀环境的不稳定；常规的接触式引伸计在腐蚀环境下引伸计自身会受到腐蚀作用且接触点易造成电化学腐蚀，而使用应变片在高应变测量条件下应变片变形会超过自身弹性极限，无法满足高应变疲劳的测试需求。

因此为克服上述问题，有必要研发一种低温腐蚀环境中疲劳蠕变复合加载的试验方法。

发明内容

为实现结构材料在深海复杂工况下材料服役性能的评价，以GB/T 20120.1-2006《金属和合金的腐蚀 腐蚀疲劳试验 第1部分：循环失效试验》和GB/T 2039-2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》的标准为基础，本发明提供的低温腐蚀环境下的材料高应变蠕变-疲劳耦合试验方法，该试验方法解决了模拟深海复杂工况下的温度控制、腐蚀溶液环境保持、疲劳试验过程中产生的扭矩效应难以消除、应变测量以及整个系统的长期稳定性的问题，实现了材料在低温腐蚀环境中高应变蠕变-疲劳耦合试验的性能测试。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

低温腐蚀环境下的材料高应变蠕变-疲劳耦合试验方法，其是借助于高应变蠕变-疲劳耦合试验装置进行试验的，所述高应变蠕变-疲劳耦合试验装置包括一疲劳试验机、一低温仪、一视频引伸计、一潜水泵、一腐蚀溶液容器、一多层螺旋管、一盒状腐蚀槽以及一对能够相对设置夹持于疲劳试验机上的上下夹持杆；

上夹持杆和下夹持杆上均设有能够与金属试样相配合的圆柱形槽；

所述盒状腐蚀槽的前壁采用的是能够与视频引伸计配合使用的测试板，盒状腐蚀槽中设有与测试板固定连接的U型溢出板，所述U型溢出板的两平行面与盒状腐蚀槽的左右侧壁相平行、底面与盒状腐蚀槽的后壁相平行，U型溢出板将盒状腐蚀槽内的空间分成长方体室和U型室两部分，所述长方体室的底壁上设有供金属试样穿过的通孔，金属试样通过橡皮塞和锁紧法兰能够实现与盒状腐蚀槽的紧密连接；长方体室的底壁上还设有进液孔，U型室的底壁上设有出液孔，所述进液孔通过导管与低温仪中的多层螺旋管相连接，多层螺旋管远离进液孔的一端通过导管与置于腐蚀溶液容器中的潜水泵相连接，出液孔与腐蚀溶液容器通过导管连接；

材料高应变蠕变-疲劳耦合试验方法，主要包括如下步骤：

（1）、以GB/T 20120.1-2006中的标准设计两端粗中间细的哑铃形的金属试样，金属试样包括工作段以及设于工作段两端的上下夹持段，上下夹持段上均布满螺纹，将橡皮塞安装于金属试样的下夹持段上且保证橡皮塞的上端面与下夹持段的上端面相齐平；

（2）、将装有橡皮塞的金属试样置于通孔中，保证橡皮塞的上端面与盒状腐蚀槽的底壁上表面相齐平，然后用锁紧法兰将金属试样与盒状腐蚀槽锁紧以保证两者紧密连接；

（3）、将金属试样的上、下夹持段分别与上、下夹持杆螺纹连接，并用锁紧螺栓将金属试样的上夹持段与上夹持杆锁紧；

（4）、将多层螺旋管的两端分别通过导管与进液孔和潜水泵相连接，将出液孔与腐蚀溶液容器通过导管连接；

（5）、上、下夹持杆分别夹持在疲劳试验机上，通过调节低温仪温度使盒状腐蚀槽内的腐蚀溶液达到试验温度并保持恒定，通过视频引伸计与测试板配合能够记录金属试样在整个实验过程中的实时应变；同步开启疲劳试验机、视频引伸计、低温仪和潜水泵，即可进行试验。

进一步地，所述高应变蠕变-疲劳耦合试验装置还包括用于监测盒状腐蚀槽内温度的数显温度计。

进一步地，所述橡皮塞为锥状橡皮塞。

进一步地，所述盒状腐蚀槽的进液孔处设有平流片以保证腐蚀溶液平稳流入盒状腐蚀槽内。

进一步地，所述盒状腐蚀槽的材质为亚克力材料。

进一步地，所述腐蚀溶液为3.5%的NaCl溶液。

进一步地，金属试样中中间较细的工作段的直径为5mm；两端较粗的夹持段的直径为20mm。

需要说明的是，试验机加载力作用于金属试样的下夹持段，锁紧螺栓将上夹持杆与金属试样的上夹持段进行锁紧，可消除疲劳试验过程中产生的扭矩效应。本试验方法的测试原理为：腐蚀溶液由潜水泵抽入，而后进入置于低温仪中的多层螺旋管中（通过多层螺旋管增大腐蚀溶液与低温仪中低温介质的面积，达到快速降温的目的），通过低温仪能够调节试验温度，腐蚀溶液自多层螺旋管经盒状腐蚀槽底壁上的进液孔流入盒状腐蚀槽内，经过平流片腐蚀溶液可以平缓的向上溢出，然后腐蚀溶液回流到腐蚀溶液容器内。腐蚀溶液的循环能够保证盒状腐蚀槽内腐蚀溶液的温度；视频引伸计与测试板配合测能够测量金属试样的实时应变。

有益效果：

本申请中的试验方法是借助于高应变蠕变-疲劳耦合试验装置进行的，该高应变蠕变-疲劳耦合试验装置完全满足低温腐蚀环境中高应变疲劳蠕变试验的测试需求，可以实现不同温度的腐蚀疲劳蠕变试验。本申请中的试验方法步骤简单，操作容易，对中性良好，测试结果稳定可靠。

附图说明

图1为本发明中高应变蠕变-疲劳耦合试验装置的结构示意图。

图2为图I处的放大图。

图3为图2的剖视图之一。

图4为图2的剖视图之二。

图5为本发明中实施例1得到的高应变蠕变-疲劳耦合试验曲线。

图示标记：1、上夹持杆，2、锁紧螺栓，3、金属试样，4、测试板，5、U型溢出板，6、橡皮塞，7、锁紧法兰，8、平流片，9、进液孔，10、出液孔，11、下夹持杆，12、疲劳试验机，13、视频引伸计， 14、多层螺旋管，15、低温仪，16、数显温度计，17、腐蚀溶液容器。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

低温腐蚀环境下的材料高应变蠕变-疲劳耦合试验方法，其是借助于高应变蠕变-疲劳耦合试验装置进行试验的，请参考图1-图4，所述高应变蠕变-疲劳耦合试验装置包括一疲劳试验机12、一低温仪15、一视频引伸计13、一潜水泵、一腐蚀溶液容器17、一多层螺旋管14、一盒状腐蚀槽以及一对能够相对设置夹持于疲劳试验机12上的上下夹持杆；

上夹持杆1和下夹持杆11上均设有能够与金属试样3相配合的圆柱形槽；

所述盒状腐蚀槽的前壁采用的是能够与视频引伸计13配合使用的测试板4，盒状腐蚀槽中设有与测试板4固定连接的U型溢出板5，所述U型溢出板5的两平行面与盒状腐蚀槽的左右侧壁相平行、底面与盒状腐蚀槽的后壁相平行，U型溢出板5将盒状腐蚀槽内的空间分成长方体室和U型室两部分，所述长方体室的底壁上设有供金属试样3穿过的通孔，金属试样3通过橡皮塞6和锁紧法兰7能够实现与盒状腐蚀槽的紧密连接；长方体室的底壁上还设有进液孔9，U型室的底壁上设有出液孔10，所述进液孔9通过导管与低温仪15中的多层螺旋管14相连接，多层螺旋管14远离进液孔9的一端通过导管与置于腐蚀溶液容器17中的潜水泵相连接，出液孔10与腐蚀溶液容器17通过导管连接；

材料高应变蠕变-疲劳耦合试验方法，主要包括如下步骤：

（1）、以GB/T 20120.1-2006中的标准设计两端粗中间细的哑铃形的金属试样3，金属试样3包括工作段以及设于工作段两端的上下夹持段，中间较细的工作段的直径为5mm；两端较粗的夹持段的直径为20mm，上下夹持段上均布满螺纹，将橡皮塞6安装于金属试样3的下夹持段上且保证橡皮塞6的上端面与下夹持段的上端面相齐平；

（2）、将装有橡皮塞6的金属试样3置于通孔中，保证橡皮塞6的上端面与盒状腐蚀槽的底壁上表面相齐平，然后用锁紧法兰将金属试样3与盒状腐蚀槽锁紧以保证两者紧密连接；

（3）、将金属试样3的上、下夹持段分别与上、下夹持杆螺纹连接，并用锁紧螺栓2将金属试样3的上夹持段与上夹持杆1锁紧；

（4）、将多层螺旋管14的两端分别通过导管与进液孔9和潜水泵相连接，将出液孔10与腐蚀溶液容器17通过导管连接；

（5）、上夹持杆1、下夹持杆11分别夹持在疲劳试验机12上，通过调节低温仪15温度使盒状腐蚀槽内的腐蚀溶液达到试验温度并保持恒定，通过视频引伸计13与测试板4配合能够记录金属试样3在整个实验过程中的实时应变；同步开启疲劳试验机12、视频引伸计13、低温仪15和潜水泵，即可进行试验。

详细地，所述高应变蠕变-疲劳耦合试验装置还包括用于监测盒状腐蚀槽内温度的数显温度计16。

其中，所述橡皮塞6为锥状橡皮塞。

需要说明的是，所述盒状腐蚀槽的进液孔处设有平流片以保证腐蚀溶液平稳流入盒状腐蚀槽内。

优选地，所述盒状腐蚀槽的材质为亚克力材料。

实施例1

低温腐蚀环境下的钛合金高应变蠕变-疲劳耦合试验方法，所述高应变蠕变-疲劳耦合试验装置包括一疲劳试验机12、一低温仪15、一视频引伸计13、一潜水泵、一腐蚀溶液容器17、一多层螺旋管14、一盒状腐蚀槽以及一对能够相对设置夹持于疲劳试验机12上的上下夹持杆；

上夹持杆1和下夹持杆11上均设有能够与金属试样3相配合的圆柱形槽；

所述盒状腐蚀槽的前壁采用的是能够与视频引伸计13配合使用的测试板4，盒状腐蚀槽中设有与测试板4固定连接的U型溢出板5，所述U型溢出板5的两平行面与盒状腐蚀槽的左右侧壁相平行、底面与盒状腐蚀槽的后壁相平行，U型溢出板5将盒状腐蚀槽内的空间分成长方体室和U型室两部分，所述长方体室的底壁上设有供钛合金试样穿过的通孔，钛合金试样通过橡皮塞6和锁紧法兰7能够实现与盒状腐蚀槽的紧密连接；长方体室的底壁上还设有进液孔9，U型室的底壁上设有出液孔10，所述进液孔9通过导管与低温仪15中的多层螺旋管14相连接，多层螺旋管14远离进液孔9的一端通过导管与置于腐蚀溶液容器17中的潜水泵相连接，出液孔10与腐蚀溶液容器17通过导管连接；腐蚀溶液容器中所装腐蚀溶液为3.5%NaCl溶液；

材料高应变蠕变-疲劳耦合试验方法，主要包括如下步骤：

（1）、设计两端粗中间细的哑铃形的钛合金试样，钛合金试样包括工作段以及设于工作段两端的上下夹持段，中间较细的工作段的长度为40mm，直径为5mm；两端较粗的上下夹持段的直径为20mm，上夹持段的长度为20mm，下夹持段的长度为40mm，上下夹持段上均布满螺纹，将橡皮塞6安装于钛合金试样的下夹持段上且保证橡皮塞6的上端面与下夹持段的上端面相齐平；

（2）、将装有橡皮塞6的钛合金试样置于通孔中，保证橡皮塞6的上端面与盒状腐蚀槽的底壁上表面相齐平，然后用锁紧法兰将钛合金试样与盒状腐蚀槽锁紧以保证两者紧密连接；

（3）、将钛合金试样的上、下夹持段分别与上、下夹持杆螺纹连接，并用锁紧螺栓2将金属试样3的上夹持段与上夹持杆1锁紧；

（4）、将多层螺旋管14的两端分别通过导管与进液孔9和潜水泵相连接，将出液孔10与腐蚀溶液容器17通过导管连接；

（5）、上夹持杆1、下夹持杆11分别夹持在疲劳试验机12上，通过调节低温仪15温度使盒状腐蚀槽内的腐蚀溶液达到试验温度（4℃）并保持恒定，通过视频引伸计13与测试板4配合能够记录钛合金试样在整个实验过程中的实时应变；同步开启疲劳试验机12、视频引伸计13、低温仪15和潜水泵，即可进行试验，试验为拉向加载、保持载荷、卸载的循环，图5为该钛合金试样用本试验方法进行的疲劳蠕变耦合加载试验结果曲线：

由图5可知，采用该试验方法圆满的完成了低温腐蚀疲劳蠕变试验，试验系统可以稳定长期运行，在整个试验过程中腐蚀溶液的浓度、温度恒定，应变测量连续，能够获得理想的试验曲线。试验曲线及试样断口符合蠕变疲劳试验失效的特征。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。