一种局部腐蚀钢试件的制作装置及制作方法

摘要

本发明公开了一种局部腐蚀钢试件的制作装置及制作方法，其特征在于，包括：用于盛装腐蚀溶液（11）的容器（12），所述容器（12）的顶端敞口由盖板（6）覆盖，所述盖板（6）由若干分散于所述容器（12）四周的支架柱（7）支撑，所述支架柱（7）上带有螺纹，调节螺母（8）设置于所述支架柱（7）上，所述盖板（6）穿过所述支架柱（7）的顶端后由所述调节螺母（8）调节所述盖板（6）的高度。本发明提供的一种局部腐蚀钢试件的制作装置及制作方法，制作程序简单，对试件没有任何二次损伤，试件制作质量高，制作成本低，可精确控制试件的腐蚀率，且通用性强，适合广泛推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种局部腐蚀钢试件的制作装置及制作方法，属于钢材腐蚀试 验技术领域。

背景技术

钢材是国民经济的基本支柱之一，也是一种最重要的结构材料，几乎遍及 所有工业。随着能源工业的开发与发展，以及海洋资源利用和舰船工业的发展， 对钢铁材料的需求越来越迫切。然而，钢的使用离不开环境，在使用过程中产 生的腐蚀问题给人类带来了巨大的经济损失和社会危害。腐蚀造成的损失是巨 大的。据世界各国统计，每年因为腐蚀所造成的经济损失占国内生产总值的 3％-5％。根据2002年美国发布的腐蚀调查报告数据，美国每年的直接腐蚀损 失为2760亿美元，约占国内生产总值的3.1％，按照最低的比例来算，我国每 年因为腐蚀所造成的损失过万亿人民币。根据国内外的经验，如果采用有效的 控制和防护措施，25％～40％的腐蚀损失就可以被避免。因此，研究钢铁材料的 腐蚀机理及其与防护技术，对于减少经济损失、社会危害、资源和能源的浪费， 及提高使用的经济效益有着非常重要的意义。

试验研究是研究钢材腐蚀机理的最直接、最有效的方法，也是腐蚀研究领 域中最重要的一种研究手段，而腐蚀试件的选取及制作是研究面临的最大难题 之一。目前，已知的腐蚀钢试件获取方法有：(1)试件自然暴露试验法，将试 件长期放置在现场环境，在自然气候条件下使试件中钢筋发生腐蚀来获取试 件，该方法缺点是钢筋在自然环境中锈蚀试件较长，通常要持续数年；(2)在 旧有建筑物中寻找发生腐蚀的构件截取试验试件，该方法的缺点是难以寻找到 合适的构件实现试验目标，构件损伤的影响因素和原始材料数据不确定，难以 开展大量的试验；(3)钢筋电化学加速锈蚀法，实验室内外加直流电源，达到 钢筋快速腐蚀的目的以获取试件，该方法在已有研究中最普遍被采用。本发明 也是基于该原理，但是目前的钢筋电化学加速锈蚀法存在通用性差，大多只适 合金属铜的加速腐蚀，并且无法精确控制试件的腐蚀率等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种钢试件安放方便，结构简单，成 本低的局部腐蚀钢试件的制作装置；进一步地，本发明提供一种试件制作程序 简单，对试件没有任何二次损伤，试件制作质量高，制作成本低，可精确控制 试件的腐蚀率，且通用性强，可满足不同材质、不同形式及不同尺寸的带局部 腐蚀试件的制作的局部腐蚀钢试件的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种局部腐蚀钢试件的制作装置，其特征在于：包括：用于盛装腐蚀溶液 的容器，所述容器的顶端敞口由盖板覆盖，所述盖板由若干分散于所述容器四 周的支架柱支撑，所述支架柱上带有螺纹，调节螺母设置于所述支架柱上，所 述盖板穿过所述支架柱的顶端后由所述调节螺母调节所述盖板的高度，所述盖 板的上表面固定设置有插销，所述插销穿进固定块下端的插孔从而将所述固定 块固定在所述盖板上，所述固定块的中心设置有用于固定钢试件上端的第一通 孔，所述盖板正对所述第一通孔处设置有用于穿入所述钢试件的第二通孔，所 述盖板上还设置有便于将所述钢试件从侧面装入盖板的开槽，所述开槽与所述 第一通孔相连通；所述容器内还设置有铜管，所述钢试件和铜管分别通过导线 与电源的正负极相连。

所述电源为直流电源。

所述支架柱的个数为4个。

所述钢试件包括中间细两端粗的哑铃型钢试件；所述第二通孔为V型开 口，所述V型开口的下表面直径接近所述哑铃型钢试件的中间部分直径；所述 开槽的宽度与所述V型开口的下表面直径相同。

所述铜管与另一个所述局部腐蚀钢试件的制作装置中的所述钢试件通过 所述导线串联，使若干个所述局部腐蚀钢试件的制作装置串联后同时腐蚀若干 所述钢试件。

一种局部腐蚀钢试件的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，钢试件的获取：在同一张板材上纵向截取若干钢试件；

步骤二，钢试件的前处理：

S01，将步骤一中截取的钢试件经700～900℃保温50～80分钟后，进行水 冷固溶处理；S02，钢试件表面，尤其是狭缝区域附近用电化学抛光液进行电 解抛光处理，以消除机械加工划痕对试验结果的影响，狭缝内部嵌藏的磨屑均 清洗干净；

S03，设定钢试件的腐蚀段长度为L，在钢试件中间用刻度线标记腐蚀段， 再用宽度为L的纸条沿刻度线将腐蚀段层层裹紧，然后再用宽度为L的胶带绑 扎固定纸条；

S04，在钢试件拟浸入腐蚀溶液的一端涂抹防腐蚀层，所述防腐蚀层延伸 至所述纸条处；

S05，用刀片沿步骤S04涂抹的防腐蚀层与步骤S03包裹的纸条交汇处平 齐切开，然后再用刀片切除纸条和胶带，露出钢试件中间的腐蚀段；

步骤三，计算钢试件的电化学锈蚀持续时间：根据试验需要的钢试件腐蚀 率，用式(1)计算电化学锈蚀持续时间t：

$t=\frac{\mathrm{\Delta m}\times Z\times F}{M\times I}---\left(1\right)$

式(1)中，Δm为根据试验需要的钢试件腐蚀率计算得到的钢试件的质量 损失；M为铁的摩尔质量；I为锈蚀电流强度，t为电化学锈蚀持续时间，Z为 阳极反应电极化学价，F为法拉第常数；

式(1)中的I由式(2)计算得出：

I＝i×s＝i×2πrL      (2)

式(2)中，i为钢试件锈蚀电流密度；s为钢试件腐蚀段表面积；r为腐 蚀段半径；L为钢试件腐蚀段长度；

步骤四，钢试件的局部腐蚀：

S06，将调节螺母旋至支架柱的上部，使盖板远离所述容器，将钢试件未 涂抹防腐蚀层的一端固定于固定块中并通过导线与电源的正极相连；设置于腐 蚀溶液中的铜管通过导线与电源的负极相连，或与下一个局部腐蚀钢试件的制 作装置中的钢试件未涂抹防腐蚀层的一端相串联；然后向下旋转调节螺母，使 钢试件涂抹防腐蚀层的一端浸泡在腐蚀溶液中，并且使钢试件上位于上端的刻 度线与腐蚀溶液液面平齐；

S07，当通电时间达到步骤三计算的电化学锈蚀持续时间时，关闭电源， 将钢试件取出并晾干，即完成局部腐蚀钢试件的制作。

所述防腐蚀层的材质为环氧树脂，所述环氧树脂的涂抹方法为分多次涂 抹，每一次涂抹完毕，待完全晾干后，再进行下一道涂抹，最终附着在钢试件 表面的环氧树脂厚度≥2mm。

所述电化学抛光液由高氯酸和冰醋酸配制而成。

所述纸条为普通纸条。

本发明具有如下优点：(1)试件制作程序简单，对试件没有任何二次损伤， 试件制作质量高；(2)制作成本低，不需要特别复杂的装置及其它昂贵试验材 料，可通过串联通电方式一次制作多个试件；(3)可以根据试验需求，精确制 作不同腐蚀率的钢试件。(4)适用性强，可满足不同材质、不同形式及不同尺寸 的带局部腐蚀试件的制作要求。

本发明提供的一种局部腐蚀钢试件的制作装置及制作方法，调节螺母的设 置，方便钢试件的安装；固定块的设置，方便钢试件的取放，并将钢试件竖直 固定在配置好的腐蚀溶液中；若干个本发明串联后，可实现多个钢试件的同时 腐蚀；根据试验需要的钢试件腐蚀率，可计算出局部腐蚀通电的时间，从而通 过严格控制钢试件局部腐蚀通电时间，就可以精确制作不同腐蚀率的钢试件； 钢试件的前处理的设置，实现了对试件没有任何二次损伤，试件制作质量高； 根据公式(1)中Z和M的不同选择，可进行不同金属材质的试件的腐蚀；第 一通孔，第二通孔及开槽的设置，可进行不同形式及不同尺寸的试件的腐蚀。 本发明提供的一种局部腐蚀钢试件的制作装置及制作方法，制作程序简单，对 试件没有任何二次损伤，试件制作质量高，制作成本低，可精确控制试件的腐 蚀率，且通用性强，适合广泛推广应用。

附图说明

图1是本发明中钢试件前处理时的结构示意图；

图2是本发明中串联的制作装置的结构示意图；

图3是本发明中支架柱的结构示意图；

图4是本发明中固定块的结构示意图；

图5是本发明中盖板的结构示意图；

图6是本发明制作的不同腐蚀率的钢试件试验时的应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1～6所示，一种局部腐蚀钢试件的制作装置，其特征在于：包括：用 于盛装腐蚀溶液11的容器12，所述容器12的顶端敞口由盖板6覆盖，所述盖 板6由若干分散于所述容器12四周的支架柱7支撑，所述支架柱7上带有螺 纹，调节螺母8设置于所述支架柱7上，所述盖板6穿过所述支架柱7的顶端 后由所述调节螺母8调节所述盖板6的高度，所述盖板6的上表面固定设置有 插销10，所述插销10穿进固定块9下端的插孔16从而将所述固定块9固定在 所述盖板6上，所述固定块9的中心设置有用于固定钢试件1上端的第一通孔， 所述盖板6正对所述第一通孔处设置有用于穿入所述钢试件1的第二通孔，所 述盖板6上还设置有便于将所述钢试件1从侧面装入盖板6的开槽17，所述开 槽17与所述第一通孔相连通；所述容器12内还设置有铜管13，所述钢试件1 和铜管13分别通过导线14与电源15的正负极相连。

所述电源15为直流电源。

所述支架柱7的个数为4个。

所述钢试件1包括中间细两端粗的哑铃型钢试件；所述第二通孔为V型开 口，所述V型开口的下表面直径接近所述哑铃型钢试件的中间部分直径；所述 开槽17的宽度与所述V型开口的下表面直径相同。

所述铜管13与另一个所述局部腐蚀钢试件的制作装置中的所述钢试件1 通过所述导线14串联，使若干个所述局部腐蚀钢试件的制作装置串联后同时 腐蚀若干所述钢试件1。

一种局部腐蚀钢试件的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，钢试件1的获取：在同一张板材上纵向截取若干钢试件1；

步骤二，钢试件1的前处理：

S01，将步骤一中截取的钢试件1经800℃保温60分钟后，进行水冷固溶 处理；

S02，钢试件1表面，尤其是狭缝区域附近用电化学抛光液进行电解抛光 处理，以消除机械加工划痕对试验结果的影响，狭缝内部嵌藏的磨屑均清洗干 净；

S03，设定钢试件1的腐蚀段长度为L，在钢试件1中间用刻度线3标记 腐蚀段，再用宽度为L的纸条2沿刻度线3将腐蚀段层层裹紧，然后再用宽度 为L的胶带4绑扎固定纸条2；

S04，在钢试件1拟浸入腐蚀溶液11的一端涂抹防腐蚀层5，所述防腐蚀 层5延伸至所述纸条2处；

S05，用刀片沿步骤S04涂抹的防腐蚀层5与步骤S03包裹的纸条2交汇 处平齐切开，然后再用刀片切除纸条2和胶带4，露出钢试件1中间的腐蚀段；

步骤三，计算钢试件1的电化学锈蚀持续时间：根据试验需要的钢试件腐 蚀率，用式(1)计算电化学锈蚀持续时间t：

$t=\frac{\Delta m\times Z\times F}{M\times I}---\left(1\right)$

式(1)中，Δm为根据试验需要的钢试件腐蚀率计算得到的钢试件的质量 损失；M为铁的摩尔质量；I为锈蚀电流强度，t为电化学锈蚀持续时间，Z为 阳极反应电极化学价，F为法拉第常数；

式1中的I由式(2)计算得出：

I＝i×s＝i×2πrL     (2)

式(2)中，i为钢试件锈蚀电流密度；s为钢试件腐蚀段表面积；r为腐 蚀段半径；L为钢试件腐蚀段长度；

步骤四，钢试件1的局部腐蚀：

S06，将调节螺母8旋至支架柱7的上部，使盖板6远离所述容器12，将 钢试件1未涂抹防腐蚀层5的一端固定于固定块9中并通过导线14与电源15 的正极相连；设置于腐蚀溶液11中的铜管13通过导线14与电源15的负极相 连，或与下一个局部腐蚀钢试件的制作装置中的钢试件1未涂抹防腐蚀层5的 一端相串联；然后向下旋转调节螺母8，使钢试件1涂抹防腐蚀层5的一端浸 泡在腐蚀溶液11中，并且使钢试件1上位于上端的刻度线3与腐蚀溶液11液 面平齐；

S07，当通电时间达到步骤三计算的电化学锈蚀持续时间时，关闭电源15， 将钢试件1取出并晾干，即完成局部腐蚀钢试件的制作。

所述防腐蚀层5的材质为环氧树脂，所述环氧树脂的涂抹方法为分多次涂 抹，每一次涂抹完毕，待完全晾干后，再进行下一道涂抹，最终附着在钢试件 1表面的环氧树脂厚度≥2mm。

所述电化学抛光液由高氯酸和冰醋酸配制而成。

所述纸条2为普通纸条。

船舶长期受到周围各种介质的化学和电化学作用，船体受到不同程度的腐 蚀，影响使用性能。AH32钢是一种造船工业中常用的结构用钢，为考察腐蚀 对该钢力学性能的影响，拟取4％、8％、12％三种腐蚀率，每种腐蚀率各加工 5个试件，合计15个试件，进行力学性能测试，分析腐蚀对钢材性能退化的影 响。带局部腐蚀试件的具体制作过程如下：

1、根据ISO 377规范要求，确定试件的尺寸，如图1所示，给出了试件1 各部分的具体尺寸。中心标记段(即腐蚀段)的直径为6mm，腐蚀段长度L 为30mm，两边夹头直径为18mm、长度为50mm。根据拟加工的试件数量预 估出所需钢材量，从一张厚度为25mm的AH32钢整板上截取一块长500mm、 宽200mm的矩形钢板，对其经800℃保温60分钟，进行水冷固溶处理。然后 机械加工成15个实心圆棒尚未腐蚀的钢试件1，再用高氯酸和冰醋酸配制的电 化学抛光液进行电解抛光处理。

2、本实施例试验要求的钢试件1腐蚀段长度为L＝30mm，在L的两端做 好刻度线3，裁剪宽度为30mm的普通纸条2，纸条2两边对准刻度线3将待 锈蚀部分不留缝隙层层裹紧，然后再用宽度为30mm的胶带4绑扎固定包裹好 的纸条。

3、在钢试件1拟浸入腐蚀溶液的一端涂抹环氧树脂，涂抹范围一侧的边 界至刻度线3。分多次涂抹，涂抹范围最终附着在试件表面的环氧树脂厚度满 足≥2mm。

4、用刀片将环氧树脂与刻度线3一端交汇处沿试件一圈平齐切开，然后 再用刀片切除胶带4及纸条2，露出试件中间长度为30mm的待腐蚀段。

5、对本实施例，式(1)及(1)中的计算参数值分别为：L＝30毫米， r＝3毫米，M＝56克/摩尔，F＝96500，Z＝+2。4％腐蚀率对应的Δm＝0.277克， 8％腐蚀率对应的Δm＝0.554克，12％腐蚀率对应的Δm＝0.831克；对应计算得 4％腐蚀率通电时间为13.26小时，8％腐蚀率通电时间为26.52小时，12％腐蚀 率通电时间为39.78小时。

6、如图2所示，导线14将钢试件1未涂抹环氧树脂的一端与铜管13进 行连接，然后用一种经过调节盖板6的高度将钢试件1竖直固定在配置好的腐 蚀溶液11中。调节螺母8，共四个，用来调节盖板6的位置，以及固定盖板 6；上端开有螺纹的支架柱7，共四根，用来调节盖板的高度；下端开有两个 插孔16的固定块9通过插销10固定在盖板6上，固定块9的作用是固定钢试 件1的上端，使其保持竖直状态，两根插销10，与插孔16相对应；开槽17 便于钢试件1从侧面装入盖板6；涂抹环氧树脂的钢试件1一端浸泡在容器12 所盛腐蚀溶液11中，钢试件1待腐蚀段的上端刻度与腐蚀溶液11液面平齐， 铜管13同时也浸泡在腐蚀溶液中。支架柱7和调节螺母8为普通钢材制作外， 其余部分均为耐腐蚀的有机玻璃材料制作。

7、将钢试件1露出腐蚀溶液11液面，未涂抹环氧树脂的一端用导线14 与直流电源15的正极连接，而铜管13与直流电源15的负极连接，腐蚀溶液 11作为导电媒介，当钢试件1通电时间达到按照步骤5所计算的时间后，关闭 电源15，将钢试件1取出并晾干，即完成局部腐蚀钢试件的制作。

如图6所示，将本实施例中所制作的腐蚀率为4％、8％、12％三种钢试件， 进行钢材腐蚀试验，由图可见，承受应力-应变的能力为：0％腐蚀率试件＞4％ 腐蚀率试件＞8％腐蚀率试件＞12％腐蚀率试件；当试件腐蚀率达到一定程度， 使试件承受应力-应变的能力达到危险指数时，则需更换钢材，以免给工程及 人们带来危险。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。