一种含缺陷金属腐蚀试验装置及断裂失效分析方法与流程

1.本发明涉及材料断裂失效分析领域，具体涉及一种通过测试腐蚀与缺陷相互作用下，材料断裂失效分析的含缺陷金属腐蚀试验装置及断裂失效分析方法。


背景技术：

2.疲劳破坏作为一种工程材料的主要失效形式，对社会经济造成了很大损失，威胁着国民生命安全。疲劳断裂具有低应力、突发性、高度局部性、对各种缺陷的敏感性等特点。实际情况下，工程构件的失效原因不仅只存在疲劳失效一种原因，往往伴随着腐蚀。材料内部可能存在缩孔、缩松等铸造过程留下的孔隙和空穴，还可能存在各种无法通过热处理工艺消除掉的夹杂物(图1和图2所示)，较大的缺陷处由于产生应力集中往往都会成为疲劳裂纹源，超高周疲劳断口通常会发现有一个衬度不一样的区域，即所谓的鱼眼特征。另外材料表面分布不同位置，不同面积和腐蚀深度的腐蚀坑，以及疲劳试验机的不同加载应力大小和加载频率都是研究腐蚀疲劳的变量因素。由于试验变量很多，加上材料表面腐蚀状态的不确定性，造成了从实验结果中寻找和发现规律非常盲目和低效，使系统且精确的研究各因素变量对材料内部缺陷与外部腐蚀缺陷对工程材料疲劳性能协同破坏作用的影响及寿命评估成为一项困难的工作。
3.目前对腐蚀疲劳的研究及相应的装置都局限在使用各种疲劳试验机配合不同的腐蚀环境模拟箱进行试验。专利号为cn 107290229 b的中国发明专利公开了一种高温高压冲蚀腐蚀疲劳测试装置，可以用于模拟测试钻井设备及完井生产管线在冲蚀作用下的疲劳性能。专利号为cn 108240959 a的中国发明专利公开了一种高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置，利用该试验装置可在不同腐蚀介质环境下对高强度钢进行疲劳性能测试，评价油气井中钻杆和油管用高强度钢在腐蚀介质环境及一定弯曲应力水平下的疲劳寿命。专利号为cn 108732084a的中国发明专利公开了一种腐蚀疲劳性能测试装置，可避免夹具中的溶液溢出，并提供恒温密封的腐蚀疲劳环境，能实现力学性能与电化学参数的同步测量，也能行高温熔盐环境下的腐蚀疲劳测试。专利号为cn 109238895a的中国发明专利公开了一种应力腐蚀和环境疲劳高通量试验装置和方法，在一个高压釜内设置了多个夹具，可以同时夹持多个试样，使得同一批次试验的试样的试验结果的一致性较好。专利号为cn 108982349 a的中国发明专利公开了一种液态原位腐蚀疲劳装置以及测试方法，可通过改变潜水泵的功率来调节腐蚀液的流速，可以在液体原位腐蚀疲劳实验过程中对试样进行实时监测。
4.上述关于腐蚀疲劳的实验装置都是腐蚀环境下同时对材料进行疲劳性能试验，评价材料的使用寿命。试验结束后，一般通过对疲劳待测样品的断口进行微观形貌观察，判断疲劳源的位置，对断口表面的腐蚀缺陷进行相应的统计工作。但是因为没有获得试验前待测样品内部缺陷的大小，形状和分布状态，也没有对表面腐蚀缺陷的位置、数量、面积、深度进行全方位的人为控制，对关于内部缺陷与外部腐蚀缺陷对工程材料疲劳性能协同破坏作用的影响，最终只能给出“腐蚀时间短，腐蚀浓度低，内部缺陷大的情况下，材料会从内部缺陷处断裂，反之则从材料表面腐蚀处断裂”等泛泛而谈的结论，无法对其进行准确而定量的
描述。由于缺少实验方法，目前关于内部缺陷与外部腐蚀缺陷对工程材料疲劳性能协同破坏作用的影响，只能通过简化后的有限元模型分析进行简单的定量研究，缺少可靠的实验数据支撑。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提供一种含缺陷金属腐蚀试验装置及断裂失效分析方法，旨在解决的问题是：内部缺陷与外部腐蚀缺陷对工程材料疲劳性能协同破坏作用的影响，只能通过简化后的有限元模型分析进行简单的定量研究，缺少可靠的实验数据支撑，且现有的实验装置和实验方法，随机性大，难以获得可靠且有代表性的实验数据。
6.本发明提供一种含缺陷金属腐蚀试验装置，该含缺陷金属腐蚀试验装置包括底座，所述底座上设置有伸缩台，所述伸缩台通过转轴连接有实验台，所述实验台上设置有用于固定待测样品，并使待测样品竖向z轴方向设置的的固定装置。所述含缺陷金属腐蚀试验装置在横向x轴方向上设置有第一x射线探测器，所述含缺陷金属腐蚀试验装置在横向y轴方向上设置有第二x射线探测器；所述第一x射线探测器和第二x射线探测器均包括x射线源和x射线探测器，所述待测样品位于x射线源和x射线探测器之间位置。所述含缺陷金属腐蚀试验装置还包括腐蚀液喷射装置，所述腐蚀液喷射装置远离两个所述x射线源。
7.优选的，所述实验台还连接有转角测量仪。
8.优选的，所述腐蚀液喷射装置包括腐蚀介质喷头，所述腐蚀介质喷头上设置有向待测样品方向延伸的喷针。
9.本发明还提供一种含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，该含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法需基于上述的含缺陷金属腐蚀试验装置实现，上述含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法包括以下步骤：
10.第一步：将待测样品固定在固定装置，通过第一x射线探测器和第二x射线探测器，确定缺陷位置和缺陷尺寸；
11.第二步：通过腐蚀试验装置向待测样品喷射腐蚀液，获取腐蚀坑；
12.第三步：根据第一x射线探测器和第二x射线探测器观测腐蚀坑尺寸，当腐蚀坑尺寸达到预设尺寸时，停止腐蚀，并取下待测样品；
13.第四步：通过力学测试仪器对待测样品的力学性能进行测试，获取待测样品断裂时间，同时观察待测样品的断裂状况，获取待测样品断裂参数。
14.优选的，在第一步和第三步中，通过第一x射线探测器获取x轴方向上待测样品的第一探测图像，通过第二x射线探测器获取y轴方向上待测样品的第二探测图像；通过第一探测图像和第二探测图像计算缺陷和腐蚀坑的位置和尺寸。
15.优选的，在第一步中，当需要调整腐蚀坑位置，调整腐蚀坑和缺陷的位置关系时，旋转实验台，进而调整腐蚀坑与缺陷的相对位置。
16.优选的，在第四步中，上述力学性能测试为通过超声波疲劳试验机进行的疲劳试验。
17.优选的，将缺陷位置、尺寸、腐蚀坑位置、尺寸、断裂时间、断裂位置进行参数化处理，多次实验，并获取多组参数，将上述参数导入有限元分析软件中，建立有限元分析模型。
18.再优选的，根据有限元分析模型，获取缺陷和腐蚀坑对材料力学性能的影响状况。
19.本发明提供的一种含缺陷金属腐蚀试验装置及断裂失效分析方法，与现有的实验分析预测技术相比，具有以下有益效果：
20.上述一种含缺陷金属腐蚀试验装置，通过在同一横向截面上的第一x射线探测器和第二x射线探测器，获取该截面对应待测样品位置两个垂直方向上的探测图像，通过两个相互垂直的探测图像，能够准确获取待测样品该截面对应位置处缺陷的位置、以及形状、大小等尺寸信息，腐蚀坑和缺陷相对位置不同时，材料的力学性能不同，为获取不同相同位置时的力学性能状况，可以通过旋转转轴移动缺陷位置，或则通过伸缩台改变实验位置，进而调整待测样品位置，然后通过腐蚀液喷射装置向预定方向喷射腐蚀液，获得带有缺陷和指定位置处腐蚀坑的待测样品，实现待测样品的预处理。通过上述含缺陷金属腐蚀试验装置，能够准确的获取缺陷信息，同时便于调整腐蚀坑位置。
21.上述含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，在使用含缺陷金属腐蚀试验装置的基础上，通过力学测试仪器获取待测样品的断裂信息，进一步获取实验数据，为腐蚀和缺陷交互作用的研究提供更全面的实验数据，便于对试样待测样品的力学性能进行分析预测。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
23.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些具体实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
24.图1和图2为待测样品含有夹杂物缺陷时，待测样品中夹杂物缺陷图。
25.图3为本发明实施例1中含缺陷金属腐蚀试验装置的位置关系示意图。
26.图4为本发明实施例2中利用超景深数码显微镜对腐蚀坑观察，对面积、深度进行测量的测量图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
30.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是
电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
33.实施例1
34.本实施例提供一种含缺陷金属腐蚀试验装置，该含缺陷金属腐蚀试验装置包括底座，所述底座上设置有伸缩台，所述伸缩台通过转轴连接有实验台，所述实验台上设置有用于固定待测样品，并使待测样品竖向z轴方向设置的的固定装置。上述伸缩台，可以是通过伸缩电机伸缩，通过伸缩电机的伸缩控制伸缩台的高度。如图3所示，所述含缺陷金属腐蚀试验装置在横向x轴方向上设置有第一x射线探测器，所述含缺陷金属腐蚀试验装置在横向y轴方向上设置有第二x射线探测器；所述第一x射线探测器和第二x射线探测器均包括x射线源和x射线探测器，所述待测样品位于x射线源和x射线探测器之间位置，x射线源发射射线，x射线探测器通过接收穿过待测样品的射线获取待测样品的探测照片。所述含缺陷金属腐蚀试验装置还包括腐蚀液喷射装置，所述腐蚀液喷射装置远离两个所述x射线源。
35.上述一种含缺陷金属腐蚀试验装置，通过在同一横向截面上的第一x射线探测器和第二x射线探测器，获取该截面对应待测样品位置两个垂直方向上的探测图像，通过两个相互垂直的探测图像，两个相互垂直的探测图像，能够准确获取待测样品该截面对应位置处缺陷的位置和形状大小等尺寸，如缺陷或腐蚀坑在x轴的长度为3个单位，对应位置处在y轴的长度为4个单位，则总长度预估值应为√(32+42)＝5，即预估长度5个单位；同时，根据在x轴上的位置及在y轴上的位置，能够确定在该平面时的具体位置。最后，两个相互垂直的探测图像对腐蚀坑和缺陷的位置和尺寸进行预估时，可以使实验台在转轴上的转动，实现样品的转动，可以获取多组配合相互垂直的探测图像，进而提高腐蚀坑和缺陷的位置和尺寸预估的准确性。腐蚀坑和缺陷相对位置不同时，材料的力学性能不同，为获取不同相同位置时的力学性能状况，可以通过旋转转轴移动缺陷位置，或则通过伸缩台改变上下位置，然后通过腐蚀液喷射装置向预定方向喷射腐蚀液，获得带有缺陷和指定位置处腐蚀坑的待测样品，实现待测样品的预处理。通过上述含缺陷金属腐蚀试验装置，能够准确的获取缺陷信息，同时便于调整腐蚀坑位置。
36.上述含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，在使用含缺陷金属腐蚀试验装置的基础上，通过力学测试仪器获取待测样品的断裂信息，进一步获取实验数据，为腐蚀和缺陷交互作用的研究提供更全面的实验数据，便于对试样待测样品的力学性能进行分析预测。
37.具体的，所述实验台还连接有转角测量仪。通过转角测量仪确定转动角度，进而控制缺陷和腐蚀坑的相对位置。在本实施例中，上述转角测量仪可以是现有的旋转传感器，也可以是在实验台的外周设置固定的转环状的刻度尺，进而确定试验台旋转的角度。
38.具体的，在本实施例中，如图2所示，所述腐蚀液喷射装置包括腐蚀介质喷头，所述腐蚀介质喷头上设置有向待测样品方向延伸的喷针。通过喷针控制腐蚀位置。
39.更具体的，需要说明的是，在超声波疲劳待测样品中，待断裂处的截面面积小，宽度小，可通过第一x射线探测器和第二x射线探测器进行探测；当待断裂处的截面不与第一x
射线探测器和第二x射线探测器在同一平面上时，可通过伸缩台的伸缩进行z轴的上下移动。
40.实施例2
41.本实施例是在实施例1的基础上，提供的一种含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，该含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法需基于上述的含缺陷金属腐蚀试验装置实现，上述含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法包括以下步骤：
42.第一步：将待测样品固定在固定装置，通过第一x射线探测器和第二x射线探测器确定缺陷位置和尺寸。需要说明的是，当第一x射线探测器和第二x射线探测器的射线垂直时，获取两个垂直面的图像，进而可以通过两个垂直的图像确定缺陷和腐蚀坑的缺陷位置和尺寸，通过x轴的参数值和y轴的参数值，可以预估在该平面处尺寸和位置。
43.第二步：通过腐蚀试验装置向待测样品喷射腐蚀液，获取腐蚀坑；
44.第三步：根据第一x射线探测器和第二x射线探测器观测腐蚀坑尺寸，当腐蚀坑尺寸达到预设尺寸时，停止腐蚀，并取下待测样品；
45.第四步：通过力学测试仪器对待测样品的力学性能进行测试，获取待测样品断裂时间，同时观察待测样品的断裂状况，获取待测样品断裂位置信息。
46.具体的，在第一步中，两个相互垂直的探测图像对腐蚀坑和缺陷的位置和尺寸进行预估时，可以使实验台在转轴上的转动，实现样品的转动，可以获取多组相互垂直的探测图像，进而提高腐蚀坑和缺陷的位置和尺寸预估的准确性。
47.具体的，在本实施例中，在第一步和第三步中，通过第一x射线探测器获取x轴方向上待测样品的第一探测图像，通过第二x射线探测器获取y轴方向上待测样品的第二探测图像；通过第一探测图像和第二探测图像计算缺陷和腐蚀坑的位置和大小。在具体实验过程中，通过第一x射线探测器和第二x射线探测器获得的两个垂直的探测图片，预估缺陷和腐蚀坑的大小，在实验过程中，为了避免预估失误，如图4所示，工作人员还可以通过超景深数码显微镜获取腐蚀坑图像，对腐蚀坑进行观察，对腐蚀坑的面积、深度进行测量。另外，可以通过扫描电镜对断面上已获得位置信息的缺陷进行测量，获得更精确的数据。
48.具体的，在第一步中，当需要调整腐蚀坑位置，调整腐蚀坑和缺陷的位置关系时，旋转实验台，进而调整腐蚀坑与缺陷的相对位置。
49.具体的，在本实施例中，在第四步中，上述力学性能测试为通过超声波疲劳试验机进行的疲劳试验。而在超声波疲劳试验机进行疲劳试验时，制备的待测样品的其中一个高度截面较小，较窄，此处为预设的断裂处，由于宽度较小，该处能够通过x射线探测器进行观测。
50.具体的，将缺陷位置、尺寸、腐蚀坑位置、尺寸、断裂时间、断裂位置进行参数化处理，多次实验，并获取多组参数，将上述参数导入有限元分析软件中，获取有限元分析模型。
51.更具体的，根据有限元分析模型，获取缺陷和腐蚀坑对材料力学性能的影响状况。
52.当然，以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内，理应受到本发明的保护。

技术特征：
1.一种含缺陷金属腐蚀试验装置，其特征在于，包括底座，所述底座上设置有伸缩台，所述伸缩台通过转轴连接有实验台，所述实验台上设置有用于固定待测样品，并使待测样品竖向z轴方向设置的的固定装置；所述含缺陷金属腐蚀试验装置在横向x轴方向上设置有第一x射线探测器，所述含缺陷金属腐蚀试验装置在横向y轴方向上设置有第二x射线探测器；所述第一x射线探测器和第二x射线探测器均包括x射线源和x射线探测器，所述待测样品位于所述x射线源和所述x射线探测器之间位置；所述含缺陷金属腐蚀试验装置还包括腐蚀液喷射装置，所述腐蚀液喷射装置远离两个所述x射线源。2.如权利要求1所述的含缺陷金属腐蚀试验装置，其特征在于，所述实验台还连接有转角测量仪。3.如权利要求1所述的含缺陷金属腐蚀试验装置，其特征在于，所述腐蚀液喷射装置包括腐蚀介质喷头，所述腐蚀介质喷头上设置有向待测样品方向延伸的喷针。4.一种含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，使用权利要求1至权利要求3中任意一项的含缺陷金属腐蚀试验装置，其特征在于，第一步：将待测样品固定在固定装置上，通过第一x射线探测器和第二x射线探测器确定待测样品的缺陷位置和缺陷尺寸；第二步：通过腐蚀试验装置向待测样品喷射腐蚀液，获取腐蚀坑；第三步：根据第一x射线探测器和第二x射线探测器观测腐蚀坑尺寸，当腐蚀坑尺寸达到预设尺寸时，停止腐蚀，并取下待测样品；第四步：通过力学测试仪器对待测样品的力学性能进行测试，获取待测样品断裂时间，同时观察待测样品的断裂状况，获取待测样品断裂参数。5.如权利要求4所述的含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，其特征在于，在第一步和第三步中，通过第一x射线探测器获取x轴方向上待测样品的第一探测图像，通过第二x射线探测器获取y轴方向上待测样品的第二探测图像；通过第一探测图像和第二探测图像计算缺陷和腐蚀坑的位置和尺寸。6.如权利要求4所述的含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，其特征在于，在第一步中，当需要调整腐蚀坑位置，调整腐蚀坑和缺陷的位置关系时，旋转实验台，进而调整腐蚀坑与缺陷的相对位置。7.如权利要求4所述的含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，其特征在于，在第四步中，上述力学性能测试为通过超声波疲劳试验机进行的疲劳试验。8.如权利要求4所述的含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，其特征在于，将缺陷位置、尺寸、腐蚀坑位置、尺寸、断裂时间、断裂位置进行参数化处理，多次实验，并获取多组参数，将上述参数导入有限元分析软件中，获取有限元分析模型。9.如权利要求8所述的含缺陷和腐蚀金属断裂失效分析方法，其特征在于，根据有限元分析模型，获取缺陷和腐蚀坑对材料力学性能的影响状况。

技术总结
本发明涉及材料断裂失效分析领域，具体涉及一种含缺陷金属腐蚀试验装置及断裂失效分析方法，含缺陷金属腐蚀试验装置包括可旋转的用于固定待测样品的实验台，且在横向X轴和Y轴方向上分别设置有第一X射线探测器和第二X射线探测器；含缺陷金属腐蚀试验装置还包括腐蚀液喷射装置。在使用时，通过第一X射线探测器和第二X射线探测器获取缺陷信息，通过旋转实验台控制腐蚀坑位置，进而在待测样品预处理过程中，相对精确的控制缺陷和腐蚀坑的相对位置以及腐蚀状况，最后，通过力学性能测试中的参数及断口分析，获取缺陷和不同腐蚀坑状况下实验数据，为腐蚀和缺陷交互作用的研究提供更全面的实验数据，便于对试样待测样品的力学性能进行分析预测。行分析预测。行分析预测。


技术研发人员：丁宁 侯南 刘珑 田力男 李囡 郭卫民 许慧霞 徐娜 陈相峰 徐富宁 李富康
受保护的技术使用者：山东省分析测试中心
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/21