在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备及其应用

摘要

本发明涉及金属材料加速腐蚀及腐蚀疲劳领域，具体为一种在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备及其应用。本发明通过控温装置、控湿装置感应腐蚀疲劳箱内的温度湿度把信号传给控制系统，再由控制系统发出指令对腐蚀疲劳箱内的温度湿度进行调节，实现控温控湿。同时，由控制系统的指令对腐蚀疲劳箱内加载试样定时进行喷雾，实现干湿交替腐蚀。它是一种可与疲劳机、慢拉伸设备相辅，实现试样在疲劳、拉伸或慢拉伸过程中，同步进行干湿交替腐蚀的设备。也可以用于模拟不同气候条件下控温控湿腐蚀疲劳、拉伸或慢拉伸实验，控温控湿干湿交替腐蚀实验，腐蚀疲劳过程中实现同步干湿交替加速腐蚀，慢拉伸过程中实现同步干湿交替加速腐蚀。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料腐蚀及腐蚀疲劳领域，具体为一种在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备及其应用。它是一种可与疲劳机、慢拉伸设备相辅，实现试样在疲劳、拉伸或慢拉伸过程中，同步进行干湿交替腐蚀的设备。也可以用于模拟不同气候条件下控温控湿腐蚀疲劳、拉伸或慢拉伸实验，控温控湿干湿交替腐蚀实验，腐蚀疲劳过程中实现同步干湿交替加速腐蚀，慢拉伸过程中实现同步干湿交替加速腐蚀。

背景技术

作为结构材料，耐候钢广泛应用于建筑、交通运输、机械传输、支撑和桥梁等领域。由于在大气中暴露使用的耐候钢表面会生成保护性锈层，阻止了大气对钢的进一步腐蚀。裸露使用的耐候钢在服役过程中不仅受到大气腐蚀作用同时还要受到应力作用，其中有应力作用较小的情况，如应用在建筑、塔架、交通运输用车箱、集装箱等领域；有应力作用较大而且变化频繁的情况，如轨道、桥梁等领域。

目前，对于金属构件在各种大气中发生腐蚀现象，除了采用现场挂片的方法，国内外学者大多采用实验室加速腐蚀的方法，即在实验室内无载荷条件下模拟田园气候、工业气候、海岸气候等各种大气腐蚀环境或不同气候的复合气氛，评定金属材料的抗腐蚀性能。这种方法一般是在恒温恒湿不受任何应力的实验条件下进行，能够在短时间内模拟得到金属构件在将来的服役大气环境中的腐蚀性能。当要在模拟气氛中给试样加上一定的载荷，模拟试样同时受力、受腐蚀的服役环境，即让试样受到应力作用，并同时对试样腐蚀段进行干湿交替加速腐蚀，还要求试样腐蚀段处于一定的湿度、温度范围时，目前还没有很好的方法来实现。也就是说，载荷及大气腐蚀同时作用环境下金属构件的性能如何，目前还没有很好的方法进行实验评定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备及其应用，使得在实验室模拟金属构件受应力作用时在各种不同腐蚀气氛中的干湿交替加速腐蚀实验成为可能，并在一定的温度、湿度环境中进行，对开展受应力作用下各种气候中材料的腐蚀性能研究、力学性能研究，提高我国材料构件的服役安全性，可靠性和经济性有重要意义。

本发明的技术方案如下：

一种在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备，该设备包括：控制系统、控温装置、控湿装置、喷雾装置、腐蚀疲劳箱，控制系统输出端分别连接控温装置、控湿装置、喷雾装置，控温装置、控湿装置、喷雾装置的输出端分别连至腐蚀疲劳箱，疲劳机控制系统的输出端连接疲劳机加载系统，疲劳机控制系统通过疲劳机加载系统对腐蚀疲劳箱内的试样施加循环载荷。

该设备控制系统可以用继电器实现，也可以用单片机实现。本发明通过控温装置、控湿装置感应腐蚀疲劳箱内的温度湿度并把信号传给控制系统，再由控制系统发出指令对腐蚀疲劳箱内的温度湿度进行调节，实现控温控湿。同时，控制系统的指令给喷雾装置，对腐蚀疲劳箱内加载试样定时进行喷雾，实现干湿交替加速腐蚀。

本发明通过腐蚀疲劳箱将加载试样密封起来，在腐蚀疲劳箱内只暴露出试样腐蚀段，或者将腐蚀疲劳箱尺寸做大，将疲劳机夹头封在腐蚀疲劳箱内(适于耐腐蚀夹头)，以实现对试样加载的同时进行加速腐蚀。

本发明通过控温装置的温度感应装置感应腐蚀疲劳箱内的温度，将信号传送到控制系统，当温度低于控制系统所要求温度范围时，控制系统会启动控温装置给腐蚀疲劳箱增温；当温度达到要求时，控制系统将接受到温度感应装置传来的信号，从而关闭控温装置。

本发明通过控湿装置的湿度感应装置感应腐蚀疲劳箱内的湿度，将信号传送到控制系统，当湿度低于控制系统所要求湿度范围时，控制系统会启动控湿装置给腐蚀疲劳箱增湿；当湿度达到要求时，控制系统将接受到湿度感应装置传来的信号，从而关闭控湿装置。

本发明通过喷雾装置对加载试样腐蚀段进行喷雾润湿。在喷电解质溶液润湿加载试样表面后，试样会在控温控湿条件下逐渐干燥，实现一个干湿交替加速腐蚀周次；之后进入下一个干湿交替循环，适当的(根据实验设定)干湿交替加速腐蚀周次后，用雾化去离子水冲洗试样表面，以免积留过多盐分。干湿交替加速腐蚀过程中，喷雾时间及喷雾间隔时间由控制系统控制(单片机编程控制或继电器控制)。

本发明通过控温元件和控湿元件实现腐蚀疲劳箱内温度和湿度可控，控温、控湿元件将所测的信号传给控制系统，再通过控制回路对控温、控湿装置实现运行及关闭控制，实现腐蚀疲劳箱内温度湿度可控。

本发明通过继电器(或单片机编程)对喷雾装置的喷雾时间、喷雾间隔时间以及喷去离子水雾的时间控制，对试样实现干湿交替加速腐蚀。

本发明设备应用于模拟不同气候条件下控温控湿腐蚀疲劳、拉伸或慢拉伸实验，控温控湿干湿交替加速腐蚀实验；或者，腐蚀疲劳过程中实现同步干湿交替加速腐蚀；或者，慢拉伸过程中实现同步干湿交替加速腐蚀。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过控温装置、控湿装置感应腐蚀疲劳箱内的温度湿度把信号传给控制系统，再由控制系统发出指令对腐蚀疲劳箱内的温度湿度进行调节，实现控温控湿。同时，由控制系统的指令对腐蚀疲劳箱内加载试样定时进行喷雾，实现干湿交替腐蚀。

2、本发明操作方便，简单。附属设备并不固定在控制柜上，方便组装和拆卸。该控制系统可与任何设备相连，用于其他用途，满足所需。设备控制系统可以用继电器组合控制实现(即时序电路控制)，也可以由单片机进行编程控制。

附图说明

图1.在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备示意图。

图2.试样在腐蚀疲劳箱内示意图。

图3.主电路图。

图4-1.温度控制原理图。

图4-2.湿度控制原理图。

图5.干湿交替加速腐蚀60周次后，同步加载试样及未加载试样阻抗谱。

图6.干湿交替加速腐蚀60周次后，同步加载试样及未加载试样极化曲线。

图7.干湿交替加速腐蚀60周次后，同步加载试样锈层截面扫描照片。

图8.干湿交替加速腐蚀60周次后，未加载试样锈层截面扫描照片。

图9.加载下同步干湿交替加速腐蚀60周次后截面锈层形貌及腐蚀疲劳裂纹扫描照片。

图10.干湿交替加速腐蚀120周次后，同步加载试样及未加载试样阻抗谱。

图11.干湿交替加速腐蚀120周次后，同步加载试样及未加载试样极化曲线。

图12.干湿交替加速腐蚀120周次后，同步加载试样锈层截面扫描照片。

图13.干湿交替加速腐蚀120周次后，未加载试样锈层截面扫描照片。

图中，1控制系统；2控温装置；3控湿装置；4喷雾装置；5腐蚀疲劳箱；6试样；7疲劳机加载系统；8疲劳机控制系统；61加载试样；62未加载试样。

具体实施方式

实施例1经济型MnCu耐候钢(专利号：200510045624.6；公开号：CN1800428A)加载下同步干湿交替加速腐蚀60周次

1、如图1所示，本发明设备主要包括：控制系统1、控温装置2、控湿装置3、喷雾装置4、腐蚀疲劳箱5、疲劳机加载系统7、疲劳机控制系统8，控制系统1输出端分别连接控温装置2、控湿装置3、喷雾装置4，控温装置2、控湿装置3、喷雾装置4的输出端分别连至腐蚀疲劳箱5，疲劳机控制系统8的输出端连接疲劳机加载系统7，疲劳机控制系统8通过疲劳机加载系统7对腐蚀疲劳箱5内的试样6施加循环载荷。

控制系统1通过控温装置2、控湿装置3、喷雾装置4对腐蚀疲劳箱5内的试样6进行控温控湿下的干湿交替加速腐蚀。其中，喷雾装置4通过雾化器产生水雾；控湿装置3通过空气压缩机13产生气流，将喷雾装置4产生的水雾吹入腐蚀疲劳箱5内，调节试样环境的湿度；控温装置2通过加热装置(如：加热包或热电耦、吹风机)将热风导入腐蚀疲劳箱5内，调节箱内温度。

另外，控温装置可以接有温度感应装置；控湿装置可以接有湿度感应装置。控温装置可以接有加热装置(加热包、热电耦或吹风机等)；控湿装置可以接有增湿装置(加湿机、雾化器或空气压缩机等)。控制系统接有的喷雾装置包括盛放电解质溶液的装置和盛放蒸馏水的装置，通过空气压缩机与磁力驱动循环泵MP-1OR.W或造雾器之一配合使用，将电解质溶液和蒸馏水雾化。

2、如图1所示，疲劳机控制系统8同步通过加载系统7对腐蚀疲劳箱5内的试样6施加循环载荷。

3、如图2所示，腐蚀疲劳箱内的加载试样61和未加载试样62同时受到干湿交替加速腐蚀作用。

4、利用制备的在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备控制腐蚀疲劳箱5内的温度为室温(25-30℃)，相对湿度70-80％时，加载最大应力σ_max＝210MPa，应力比R＝0.05，频率F＝1Hz，并同步在模拟海岸气候中干湿交替加速腐蚀，经过20天，60周次干湿交替腐蚀后，测得MnCu耐候钢腐蚀疲劳及未加载试样腐蚀阻抗谱(图5)、极化曲线(图6)。

5、图5、图6结果显示，利用制备的在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备进行钢的腐蚀疲劳实验，测试所得曲线光滑，结果稳定。与未加载试样腐蚀结果比较能观测到加载的影响，发现试样锈层阻抗增加，说明在单位加载时间内，较低腐蚀周次时，加载能促进腐蚀生成致密的锈层，提高钢的海岸气候腐蚀能力。

6、图7、图8结果显示，利用制备的在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备进行钢的腐蚀疲劳实验，与未加载试样腐蚀结果比较，观察到耐候钢锈层致密性良好，几乎不存在浮锈，所观察到的铁锈大部分是坚固的贴紧钢基体的锈，这与经过长期暴晒所得锈层相似，这说明本实验的相关性是良好的。

7、图9结果显示，利用制备的在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备进行钢的腐蚀疲劳实验，试样是出现了典型的腐蚀疲劳裂纹。由于腐蚀介质的作用，裂纹中生成了锈。可以看到，裂纹是在点蚀坑形成的，明显的形成了裂纹钝化区和尖端区。

实施例2经济型MnCu耐候钢(专利号：200510045624.6；公开号：CN1800428A)加载下同步干湿交替加速腐蚀120周次

1、如图1所示，控制系统1通过控温装置2，控湿装置3，喷雾装置4对腐蚀疲劳箱5内的试样6进行控温控湿下的干湿交替加速腐蚀。

2、如图1所示，疲劳机控制系统8同步通过加载系统7对腐蚀疲劳箱5内的试样6施加循环载荷。

3、如图2所示，腐蚀疲劳箱5内的加载试样61和未加载试样62同时受到干湿交替加速腐蚀作用。

4、利用制备的在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备控制腐蚀疲劳箱5内的温度为室温(25-30℃)，相对湿度70-80％时，加载最大应力σ_max＝210MPa，应力比R＝0.05，频率F＝1Hz，并同步在模拟海岸气候中干湿交替加速腐蚀，经过20天，120周次干湿交替腐蚀后，测得MnCu耐候钢腐蚀疲劳及未加载试样腐蚀阻抗谱(图10)、极化曲线(图11)。

5、图10、图11结果显示，利用制备的在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备进行钢的腐蚀疲劳实验，测试所得曲线光滑，结果稳定。与未加载试样腐蚀结果比较能观测到加载的影响，即试样锈层阻抗有所降低，说明在单位加载时间内，在高的腐蚀周次时，加载使锈层部分破坏，但是锈层的阻抗依然很高，说明锈层的抗腐蚀能力依然很好。

6、图12、图13结果显示，利用制备的在加载过程中实现同步干湿交替加速腐蚀的设备进行钢的腐蚀疲劳实验，与未加载试样腐蚀结果比较，观察到在加载的作用下锈层较为疏松，裂纹尺寸大，密度高，但内锈层与钢基体的结合依然良好，对耐候钢的抗腐蚀性起重要作用。但可以观察到耐候钢锈层依然是很致密的，即使图中看到的那些存在与钢基体平行的裂纹的锈，甚至那些将要剥落的锈层也是非常致密的。

如图3所示，本发明控制系统主电路结构和各元件之间的连接关系如下：

控制系统主要包括：交流电源(AC电流)、开关K1、接触器(KM1、KM2、KM3)、熔断器(FU1、FU2、FU3、FU4)等，通过开关K1，对各装置供电。控温装置、控湿装置、喷雾装置接通电源并同时受控制回路控制，控温装置的控制回路上设有接触器KM1、熔断器FU1，控湿装置的控制回路上设有接触器KM2、熔断器FU2，喷雾装置的控制回路上设有接触器KM3、熔断器FU3。220伏电压经熔断器FU4后，经变压整流给控制回路供电。控制回路通过接受温度、湿度感应装置信号对控温装置、控湿装置进行工作控制，控制回路通过继电器或单片机程序对喷雾装置进行喷雾控制。

控制主电路的控制过程如下：

合上开关K1，对设备供电。熔断器FU1～FU4对各设备进行短路保护。接触器KM1～KM3用以接通和分断负载，保护运行中的设备，它与继电控制回路组合，联锁相关设备。

如图4-1所示，本发明控温装置为常规技术，其温度控制原理如下：

热电阻或热电偶的讯号经桥路处理后进行放大，放大后的讯号一路直接显示被测温度值，另一路与设定值比较经控制方式运算后，通过继电器(或单片机)输出。

如图4-2所示，本发明控湿装置为常规技术，其湿度控制原理如下：

湿度感测讯号经桥路处理后进行放大，放大后的讯号一路直接显示被测湿度值，另一路与设定值比较经控制方式运算后，通过继电器(或单片机)输出。