一种模拟多场耦合环境的原位检测平台制造技术

本发明专利技术公开了一种模拟多场耦合环境的原位检测平台，包括变压调速器、时间继电器、应力加载装置、应力传感器、应力施载夹具、试件支撑夹具、流场加载装置、腐蚀介质供应装置、温控装置、反应容器、电化学工作站、流量控制器、比例阀以及计算机，所述变压调速器以及所述时间继电器用于控制所述应力加载装置，所述应力传感器用于检测将载荷大小，所述流量控制器、所述流场加载装置、所述腐蚀介质供应装置与所述反应容器之间循环连接，所述比例阀与所述变压调速器连接用于实现流速与加载载荷之间的同步调控，所述电化学工作站用于检测试件阻抗。本发明专利技术可用于真实模拟材料受到特定温度流场腐蚀介质和循环弯曲载荷共同作用以及对其进行实时原位定量表征。

An In-situ Detection Platform for Simulating Multi-field Coupled Environment

The invention discloses an in-situ detection platform for simulating multi-field coupling environment, which includes a variable pressure governor, a time relay, a stress loading device, a stress sensor, a stress loading fixture, a specimen supporting fixture, a flow field loading device, a corrosion medium supply device, a temperature control device, a reaction vessel, an electrochemical workstation, a flow controller, a proportional valve and a computer. The pressure governor and the time relay are used to control the stress loading device. The stress sensor is used to detect the magnitude of the load, the flow controller, the flow field loading device, the corrosive medium supply device and the reaction vessel are circularly connected, and the proportional valve and the variable pressure governor are connected to realize synchronous adjustment between the flow rate and the loading load. The electrochemical workstation is used to detect the impedance of the specimen. The present invention can be used for real-time in-situ quantitative characterization of simulated materials under the combined action of corrosive media and cyclic bending loads in a specific temperature field.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟多场耦合环境的原位检测平台
本专利技术涉及一种模拟多场耦合环境的原位检测平台，属于材料检测

技术介绍
真实、准确并定量地表征材料或者结构件在应力作用下的腐蚀行为是材料工作者普遍关注的一个技术问题。现实中，大部分材料或者结构件在服役过程中经常受到多场耦合作用，包括流场、温度场、应力场以及化学场的共同作用，如海洋平台通常受到流场、应力场以及海水的共同作用，又如骨科固定器械在体内服役过程中受到体液形成的流场和外在运动施加的循环应力场共同作用。在流场、应力场以及腐蚀介质共同作用下，材料腐蚀行为会加速，造成性能过快衰减并导致其在服役周期内过早失效。因此，如何真实地模拟多场耦合行为，并实时定量表征材料的腐蚀行为是科学评估材料相关物理、机械性能的关键。此外还需要注意的是，实际服役过程中在某一场变化的同时往往还伴随有其他场的同步变化，如当人体进行加速运动，在骨科固定器械所承受应力增加的同时，体液以及血液的流速也会相应增加，实现不同场之间的同步变化无疑可以更准确的模拟实际服役环境。目前在材料腐蚀防护方面的模拟研究多集中于单一场的作用，缺乏对材料在多场耦合作用下的腐蚀行为研究。通过腐蚀疲劳试验机可以在一定程度上实现多场的耦合，但是疲劳试验机多是进行拉压疲劳实验，对设备要求较高，并且难以对材料的腐蚀行为进行实时原位定量表征。而且实际上大部分结构件如结构梁在服役过程中所承受的载荷为循环弯曲载荷，上述实验不能反映实际载荷状态。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供了一种真实模拟材料受到特定温度流场腐蚀介质和循环弯曲载荷共同作用以及能实时进行原位定量表征的检测平台。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种模拟多场耦合环境的原位检测平台，其特征是，包括变压调速器、时间继电器、应力加载装置、应力传感器、应力施载夹具、试件支撑夹具、流场加载装置、腐蚀介质供应装置、温控装置、反应容器、电化学工作站、流量控制器、比例阀以及计算机，所述变压调速器以及所述时间继电器用于控制所述应力加载装置，所述应力加载装置经所述应力传感器将载荷大小传输给计算机，经所述应力施载夹具施力于所述应力施载夹具内夹持的试件，所述试件支撑夹具用于将试件固定在所述反应容器内，所述流量控制器、所述流场加载装置、所述腐蚀介质供应装置与所述反应容器之间循环连接，所述比例阀连接所述变压调速器以及所述流量控制器用于实现流速与加载载荷之间的同步调控，所述温控装置用于控制所述腐蚀介质供应装置内腐蚀介质温度，所述电化学工作站用于检测试件阻抗。进一步的，所述应力施载夹具包括分别位于试件两侧的两个第一压头、连接两个所述压头的连接螺杆以及固定螺母，其中一个压头与应力加载装置输出端接触。进一步的，所述试件支撑夹具分别位于试件两侧的两个第二压头、连接两个所述第二压头的第二连接螺杆以及第二固定螺母。进一步的，所述第一压头以及所述第二压头采用高分子绝缘材料或涂覆有高分子绝缘层的金属制成。进一步的，所述反应容器为多段组合式容器，通过螺栓螺杆进行固定连接，连接处通过密封硅胶片进行密封。所述应力加载装置为伺服电机。进一步的，所述流场加载装置为可调速蠕动泵。本专利技术所达到的有益效果：1)真实模拟了材料在流动腐蚀介质中的循环弯曲行为。该装置与传统流场腐蚀试验装置及单一拉-压交替疲劳实验不同，它综合了流场作用、循环弯曲载荷、腐蚀介质三重影响，更真实地模拟材料在流体环境下、腐蚀介质中的循环弯曲行为，并可以实时、原位测量材料的腐蚀速度，从而可以更精确地对材料在流动腐蚀介质中的循环弯曲腐蚀行为进行预判。2)流场与应力场的同步调控。该装置可以实现伺服电机和比例阀输入电流的同步控制，从而实现流场与应力场的同步调控，即应力场变化的同时流场发生相应的变化。3)腐蚀行为的实时原位表征。针对不同金属材料的腐蚀，利用电化学工作站对金属材料的阻抗进行测量，可以实时原位定量表征金属的腐蚀速度。4)装置简单、适用范围广。该装置无需复杂的控件，成本低廉、操作简便，可以实现不同弯曲载荷大小、频率、实验温度以及腐蚀介质下的测试，具有普遍适用性。附图说明图1是实施例检测装置结构示意图；图2是应力施载夹具结构示意图；图3是试件支撑夹具结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。一种模拟多场耦合环境的原位检测平台，如图1所示，包括变压调速器1、时间继电器2、伺服电机3、应力传感器4、应力施载夹具6、试件支撑夹具5、可调速蠕动泵7、腐蚀介质储液桶9、控温电加热器8、四段组合反应容器10、电化学工作站17、比例阀19、流量控制器20以及计算机18。时间继电器2控制加载频率实现电机往复运动；变压调速器1通过调整电流大小从而控制加载大小；伺服电机3施加载荷，应力传感器4位于伺服电机3操作端上，用于测量载荷大小，并与计算机18连接。四段组合反应容器10之间通过螺杆12进行定位连接，首尾端通过螺母11进行固定，连接处通过密封硅胶片13进行密封。试件支撑夹具5，如图3所示，由上下压头25、连接螺杆26以及固定螺母27组成，将试件支撑夹具5放在反应容器10上，将试样15放入两个压头25之间，通过操作固定螺母对试样进行固定，压头材料可以是高强度、不可降解的高分子或者在表面涂敷有高分子绝缘涂层的金属。应力施载夹具，如图2所示，由上下压头22、连接螺杆23以及固定螺母24组成，其中上压头22与伺服电机3操作端接触，将两个压头分布在试样15两侧，通过固定螺母24进行固定，由时间继电器2控制伺服电机往复运动实现循环往复弯曲载荷的加载。流量控制器20、可调速蠕动泵7、腐蚀介质储液桶9与反应容器10之间通过硅胶软管19进行连接，形成一个循环通路，比例阀19与变压调速器1连接，可用于实现流速与加载载荷之间的同步调控，控温电加热器8对腐蚀介质储液桶9内腐蚀介质温度进行调节，模拟不同腐蚀液体。电化学工作站17中铂电极14镶嵌在应力施载夹具6其中上压头的中下表面，参比电极16位于反应容器10内，电化学工作站17用于实时检测试件阻抗，计算得出样品的腐蚀速度。具体应用如下：实施例1：选用的AZ31B板材试件15为长度为120mm，厚度为2mm，宽度为12mm，时间继电器2为双循环时间继电器；变压调速器1；伺服电机3；采用的腐蚀介质为模拟体液，温度为37℃，通过可调速蠕动泵7控制流场速度，利用变压调速器1调节电流控制载荷大小，通过应力传感器4测量载荷大小，时间继电器2调整频率，即可进行模拟真实人体腐蚀环境及温度下镁合金植入器件的弯曲腐蚀疲劳实验，施载组合夹具6和支撑组合夹具5的压头22和25为聚四氟乙烯，通过电化学工作站17实时测量材料的阻抗并计算得到腐蚀速度。实施例2：所用的装置与实施例1相同，选用的金属板材试件15为150mm，厚度为2mm，宽度为15mm的40钢，采用的腐蚀介质为氯化钠溶液，温度为25℃，通过可调速蠕动泵7控制流场速度，利用变压调速器1调节电流控制载荷大小，通过应力传感器4测量载荷大小，时间继电器2调整频率，即可进行模拟25℃海洋环境下板材试件的循环弯曲腐蚀疲劳实验，施载组合具6的压头22为涂有聚四氟乙烯涂层的不锈钢，支撑组合夹具5的压头本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟多场耦合环境的原位检测平台，其特征是，包括变压调速器(1)、时间继电器(2)、应力加载装置(3)、应力传感器(4)、应力施载夹具(6)、试件支撑夹具(5)、流场加载装置(7)、腐蚀介质供应装置(9)、温控装置(8)、反应容器(10)、电化学工作站(17)、流量控制器(20)、比例阀(21)以及计算机(18)，所述变压调速器(1)以及所述时间继电器(2)用于控制所述应力加载装置，所述应力加载装置经所述应力传感器(4)将载荷大小传输给计算机(18)，经所述应力施载夹具(6)施力于所述应力施载夹具(6)内夹持的试件，所述试件支撑夹具(5)用于将试件固定在所述反应容器(10)内，所述流量控制器(20)、所述流场加载装置(7)、所述腐蚀介质供应装置(9)与所述反应容器(10)之间循环连接，所述比例阀(21)连接所述变压调速器(1)以及所述流量控制器(20)用于实现流速与加载载荷之间的同步调控，所述温控装置(8)用于控制所述腐蚀介质供应装置(9)内腐蚀介质温度，所述电化学工作站(17)用于检测试件阻抗。

【技术特征摘要】
1.一种模拟多场耦合环境的原位检测平台，其特征是，包括变压调速器(1)、时间继电器(2)、应力加载装置(3)、应力传感器(4)、应力施载夹具(6)、试件支撑夹具(5)、流场加载装置(7)、腐蚀介质供应装置(9)、温控装置(8)、反应容器(10)、电化学工作站(17)、流量控制器(20)、比例阀(21)以及计算机(18)，所述变压调速器(1)以及所述时间继电器(2)用于控制所述应力加载装置，所述应力加载装置经所述应力传感器(4)将载荷大小传输给计算机(18)，经所述应力施载夹具(6)施力于所述应力施载夹具(6)内夹持的试件，所述试件支撑夹具(5)用于将试件固定在所述反应容器(10)内，所述流量控制器(20)、所述流场加载装置(7)、所述腐蚀介质供应装置(9)与所述反应容器(10)之间循环连接，所述比例阀(21)连接所述变压调速器(1)以及所述流量控制器(20)用于实现流速与加载载荷之间的同步调控，所述温控装置(8)用于控制所述腐蚀介质供应装置(9)内腐蚀介质温度，所述电化学工作站(17)用于检测试件阻抗。2.根据权利要求1所述的一种模拟多场耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旋，曹议文，陈珂，江昊，巴志新，王章忠，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32