腐蚀和拉应力长期耦合下力学性能试验方法与流程

1.本发明涉及一种腐蚀和拉应力长期耦合下力学性能试验方法。


背景技术：

2.我国因腐蚀会每年造成的经济损失约5000亿元，由钢材腐蚀失效造成的工程事故屡见不鲜。在腐蚀作用下，钢构件会在表面形成蚀坑并产生质量损失，引起构件的应力集中、局部应力增加和承载力的降低，并可能导致结构的突然破坏。因此，钢结构的腐蚀问题逐渐引起人们的重视。由于操作方便，目前普遍采用无拉力状态下的加速腐蚀试验研究钢结构的腐蚀问题。然而，在役钢结构，如输电塔架、钢桥等结构，往往承受腐蚀和外部荷载的共同作用，即在受力状态的同时承受腐蚀作用。传统的试验方法仅关注无拉力状态下腐蚀后的力学性能，即预腐蚀后直接对钢材开展力学性能试验，存在以下问题：（1）没有考虑拉长期应力与腐蚀的耦合作用。张拉荷载会使构件的裂纹处于张开状态，诱导蚀坑在损伤部位或已形成的微裂纹尖端形成，加剧了腐蚀的影响，使构件有效截面进一步降低。若仍采用无应力状态下的试件进行加速腐蚀，将导致获得的试验数据较实际工程偏危险。
3.（2）没有考虑锈层脱落的影响。构件在受力状态下，已形成的具有保护性的附着锈层极易脱落，使原本受保护的钢材基体继续被腐蚀。此外，输电塔架、钢桥等结构还要承受交替的风荷载、车辆荷载和温差的影响等。这些作用直接影响腐蚀后锈层的粘附性，使锈层过早脱落，导致锈层隔绝空气的作用大大减弱，钢材基体进一步腐蚀。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种腐蚀和拉应力长期耦合下力学性能试验方法, 适用于研究金属材料在腐蚀与拉力耦合作用下力学性能退化的试验研究。
5.本发明解决技术问题所采用的方案是，一种腐蚀和拉应力长期耦合下力学性能试验方法，包括以下步骤：步骤一：将试件安装在预紧力施加装置内，随后，在试件上安装应力片，得到预紧力组件；步骤二：通过拉力试验机对预紧力组件施加预紧力，预紧力施加完成后，锁固预紧力施加装置的施力端，然后停止加载，取下预紧力组件；步骤三：将经过加载的预紧力组件按照规范放入盐雾腐蚀箱，让试件在受荷状态下处于加速腐蚀环境中，经受预定时间的腐蚀；步骤四：将经过加载的预紧力组件放置在盐雾腐蚀箱腐蚀预定的时间后，取出，并将试件从预紧力施加装置内拆下，然后对试件进行拉伸试验得到试件荷载
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位移曲线，获得在施加预应力状态下加速腐蚀后的试件的屈服强度、极限强度、疲劳强度、断裂强度、伸长率等重要的力学性能；步骤五：拉伸试验完成后，对试件进行除锈前观察、除锈后形貌观察、以及计算质
量损失，获得在施加预应力状态下加速腐蚀后的试件腐蚀形貌和质量损失，用来描述试件的腐蚀程度。
6.进一步的，所述预紧力施加装置包括预紧力夹具框架、槽型固定板、固定螺栓、连接螺栓、夹持试块、垫板，试件设置在预紧力夹具框架内，试件两端与槽型固定板设置有垫板，试件端部及试件端部的垫板经固定螺栓与槽型固定板固定连接，连接螺栓内端固定安装在槽型固定板外，预紧力夹具框架上开设有供连接螺栓外端穿过的螺栓孔,连接螺栓经螺母a 与预紧力夹具框架锁固，夹持试块螺接安装在连接螺栓外端。
7.进一步的，在步骤一中，首先，根据试件的长宽选择预紧力夹具框架的型号；根据预紧力夹具框架的型号选择对应螺栓孔大小的连接螺栓；再根据连接螺栓的螺帽大小，选择合适的槽型固定板与垫板；根据槽型固定板的螺栓孔的大小选择固定螺栓副。
8.进一步的，在步骤一中，安装时，先进行槽型固定板与连接螺栓6的定位预安装，将连接螺栓穿过槽型固定板侧面的螺栓孔；再开展试件、槽型固定板、固定螺和垫板的安装，通过对固定螺栓施加扭矩紧固；然后将连接螺栓依次穿过槽型固定板侧面螺栓孔、预紧力夹具框架端面的螺栓孔、垫圈和螺母a、夹持试块上的螺栓孔，并将夹持试块与连接螺栓拧紧。
9.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过腐蚀
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预紧力耦合作用，探究钢材的长期性能变化，通过不同预紧力的试件的加速腐蚀试验，可有效模拟实际工程中不同结构功能、不同结构部位、不同使用阶段下钢材的真实腐蚀情况；将腐蚀与荷载两种工况同时作用于试件上，相比以往试验中试件仅受腐蚀作用的情况，或者腐蚀、荷载交替作用的情况，腐蚀
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预紧力耦合作用更能反应实际工程中构件在服役周期内的表现，能更好的指导工程实践。
附图说明
10.下面结合附图对本发明专利进一步说明。
11.图1是预紧力施加装置的结构示意图。
12.图2是预紧力施加装置的结构侧视图。
13.图3是本试验的工艺流程示意图。
14.图中：1、预紧力夹具框架；2、试件；3、槽型固定板；4、夹持试块；5、固定螺栓；6、连接螺栓；7、垫板；8、应变片；9、预紧力组件。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
16.如图1
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3所示，一种腐蚀和拉应力长期耦合下力学性能试验方法，包括以下步骤：步骤一：将试件2安装在预紧力施加装置内，随后，在试件2上安装应力片，得到预紧力组件9；步骤二：通过拉力试验机对预紧力组件9施加预紧力，预紧力施加完成后，锁固预紧力施加装置的施力端，然后停止加载，取下预紧力组件9；以施加0.3fy（fy为屈服强度）的预拉力为例。拉力试验机的夹持器夹紧夹持试块4，通过应力加载（或应变加载）对试件2使施加预紧力，当在电脑上监测到预拉力达到0.3fy
时，进行荷载保持（或位移保持），拧紧连接螺栓6的螺母，然后停止加载，取下预紧力组件9，由于应力松弛的影响，实际的预拉力值会减小，借助应变片8，可以知道此时试件2上的具体应力值例如为0.29fy，则以0.29fy当做最终施加在试件2上的预拉力值；通过前面的预拉力加载，试件2处于长期承受固定0.29fy载荷状态；步骤三：将经过加载的预紧力组件9按照规范放入盐雾腐蚀箱，让试件2在受荷状态下处于加速腐蚀环境中，经受预定时间的腐蚀，例如腐蚀30天；步骤四：将经过加载的预紧力组件9放置在盐雾腐蚀箱腐蚀预定的时间后，取出，并将试件2从预紧力施加装置内拆下，获得在0.29fy下加速腐蚀30天的试件2，然后对试件2进行拉伸试验得到试件2荷载
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位移曲线，获得在0.29fy下加速腐蚀30天的试件2的屈服强度、极限强度、疲劳强度、断裂强度、伸长率等重要的力学性能；步骤五：拉伸试验完成后，对试件2进行除锈前观察、除锈后形貌观察、以及计算质量损失，获得在0.29fy下加速腐蚀30天的试件2的腐蚀形貌和质量损失，用来描述试件2的腐蚀程度。
17.在本实施例中，所述预紧力施加装置包括预紧力夹具框架1、槽型固定板3、固定螺栓5、连接螺栓6、夹持试块4、垫板7，试件2设置在预紧力夹具框架1内，试件2两端与槽型固定板3设置有垫板7，试件2端部及试件2端部的垫板7经固定螺栓5与槽型固定板3固定连接，连接螺栓6内端固定安装在槽型固定板3外，预紧力夹具框架1上开设有供连接螺栓6外端穿过的螺栓孔,连接螺栓6经螺母a 与预紧力夹具框架1锁固，夹持试块4螺接安装在连接螺栓6外端。
18.在本实施例中, 所述预紧力夹具框架1为高强不锈钢钢板，长宽之比不小于4，厚度为20
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50mm，预紧力夹具框架1要具有足够的刚度，保证在设计荷载的作用下相对试件2发生的变形可以忽略不计；槽型固定板3的厚度为8
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16mm，上下两侧净高为15
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30mm，并按设计位置加工处螺栓孔，螺栓孔直径要求比安装在此处的螺栓的直径大1
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2mm；夹持试块4在中间开一定深度的螺栓孔，螺栓孔直径要求比安装在此处的螺栓的直径大1
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2mm，夹持试块4的尺寸满足拉力试验机的夹持要求；垫板7在设计位置开螺栓孔，垫板7厚度为2
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10mm螺栓孔直径要求比安装在此处的螺栓的直径大1
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2mm；连接螺栓6与预紧力夹具框架1及螺母a之间设有垫圈，减少预紧力夹具框架1的变形；固定螺栓5与连接螺栓6只需用普通开口扳手固定；固定螺栓5将槽型固定板3、垫板7和试件2连接，固定螺栓5经螺母与槽型固定板3锁固。
19.在本实施例中, 固定螺栓5采用高强不锈钢螺栓，螺栓直径为6
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20mm，连接螺栓6采用长杆不锈钢螺栓，螺栓直径为6
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20mm。同一组预紧力施加装置中的连接螺栓6与固定螺栓5采用同一直径。
20.在本实施例中，在步骤一中，首先，根据试件2的长宽选择预紧力夹具框架1的型号；根据预紧力夹具框架1的型号选择对应螺栓孔大小的连接螺栓6；再根据连接螺栓6的螺帽大小，选择合适的槽型固定板3与垫板7；根据槽型固定板3的螺栓孔的大小选择固定螺栓5。
21.在本实施例中，在步骤一中，安装时，先进行槽型固定板3与连接螺栓66的定位预安装，将连接螺栓6穿过槽型固定板3侧面的螺栓孔；再开展试件2、槽型固定板3、固定螺和垫板7的安装，通过对固定螺栓5施加扭矩紧固；然后将连接螺栓6依次穿过槽型固定板3侧面螺栓孔、预紧力夹具框架1端面的螺栓孔、垫圈和螺母a、夹持试块4上的螺栓孔，并将夹持
试块4与连接螺栓6拧紧。
22.在本实施例中，优选的采用盐雾腐蚀的方式，腐蚀整个试件；对试件的预拉应力采用万能试验机施加，且通过应变片精确控制。
23.本设计能实现各种材料、各种厚度长期应力下耦合下的加速腐蚀，适用范围广。
24.本设计涉及对实际工程结构中常用的钢材进行长期力学性能研究试验，通过腐蚀
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预紧力耦合作用，探究钢材的长期性能变化。通过不同预紧力的试件2的加速腐蚀试验，可有效模拟实际工程中不同结构功能、不同结构部位、不同使用阶段下钢材的真实腐蚀情况。
25.本设计将腐蚀与荷载两种工况同时作用于试件2上，相比以往试验中试件2仅受腐蚀作用的情况，或者腐蚀、荷载交替作用的情况，腐蚀
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预紧力耦合作用更能反应实际工程中构件在服役周期内的表现，能更好的指导工程实践。
26.本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
27.在本专利的描述中，需要理解的是，术语
“ꢀ
纵向”、
“ꢀ
横向”、
“ꢀ
上”、
“ꢀ
下”、
“ꢀ
前”、
“ꢀ
后”、
“ꢀ
左”、
“ꢀ
右”、
“ꢀ
竖直”、
“ꢀ
水平”、
“ꢀ
顶”、
“ꢀ
底”、
“ꢀ
内”、
“ꢀ
外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
28.上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。