[发明专利]多场耦合环境下的一体化测试装置

说明书

本发明公开了多场耦合环境下的一体化测试装置，包括力学行为实验系统、腐蚀行为实验系统，两者相互切换实现材料在多场耦合环境下力学及腐蚀行为的测试，监测材料在多因素协同交互条件下的预期性能。该实验装置结构简单、成本低廉、操作方便，可实现施载方向、载荷大小、加载速率、流场方向、流场流速、流场环境温度、腐蚀介质的可控调节，能够从力学与腐蚀行为等方面对材料进行实时、原位、动态监测，适用于不同服役环境下不同材质、不同尺寸的试样，为科学合理评估材料在模拟服役环境下的力学及腐蚀性能演变提供技术支持。

技术领域

本发明涉及实验装置，特别涉及多场耦合环境下的一体化测试装置。

背景技术

断裂失效和腐蚀失效是设备零部件材料丧失功能，甚至发生永久性破坏的重要原因，而零部件材料的失效将对设备的稳定可靠运转产生显著影响，因此，合理表征材料在服役环境下的性能演变，同时科学评估材料的使用寿命，无疑可为材料的安全使用提供理论依据和实践基础。在服役期间，材料除了承受一定的载荷作用外，还会受到周围环境中腐蚀介质的腐蚀作用。一般来说，材料在工作介质中腐蚀造成的表面损伤与应力产生协同作用，进而诱发裂纹；腐蚀损伤严重的部位亦容易形成应力集中，导致材料发生力学不完整与力学性能过早丧失的现象。此外，材料在应力作用下的微观结构演变与材料在服役环境中的腐蚀行为也存在密切关系。近年来，研究人员利用扫描电化学显微镜(SECM)中探针的移动来扫描样品微区范围内的电化学信息，进而分析样品局部的腐蚀性能演变。显然，SECM对于应力腐蚀或腐蚀疲劳测试下样品表面局部腐蚀行为的表征，特别是样品腐蚀致微观裂纹萌生及发展的观察，具有得天独厚的优势。然而，SECM探针一般沿水平方向移动，且始终垂直于试样表面，该工作特性导致SECM不能直接搭载于电子万能试验机及疲劳试验机并实现微区扫描。而一旦将材料卸载后再展开电化学测试，得到的非原位数据不能反映材料的真实服役性能演变。因此，将精密度较高的SECM与传统力学性能测试设备结合起来以满足材料服役过程中扫描电化学显微镜(SECM)行为的实时、原位及动态监测，无疑对应力腐蚀或腐蚀疲劳测试中力学行为与腐蚀行为的综合分析具有积极的作用，但现有技术未提及有效的解决方案。

实际上，材料在服役期间除了受到应力与腐蚀的共同影响外，还会受到流场、温度、湿度、气体等外界环境因素交互耦合的影响。比如，血管支架在血管中服役期间，血管的脉动不仅会改变支架承受的径向支撑力，而且会改变流经支架的血液流速；海洋钢结构材料在海洋服役期间，昼夜温度变化以及潮汐带来的冲刷作用会产生协同作用，进而影响材料的性能演变......基于以上材料的服役条件可知，如何真实模拟材料在应力场、腐蚀介质、流场以及环境温度等多场复杂耦合环境，尤其探究多场协同交互控制下材料的服役性能演变机制是当前亟待解决的科学难题。

目前，材料在单一环境下的相关性能已具备完善的表征手段，比如电子万能试验机可以实现材料的轴向拉伸/压缩性能评价，疲劳试验机可以实现材料在循环交变轴向载荷作用下的性能评价，静态浸泡设备可以实现材料在腐蚀介质中的耐蚀性能评价......部分研究人员在电子万能试验机、疲劳试验机上安装液池，可以进一步实现应力腐蚀、腐蚀疲劳这类力学与腐蚀环境交互的试验测试。对于心血管支架、水管内壁、海洋钢结构等材料而言，显然其服役环境不能通过大型设备的简单改造来实现其多场耦合服役环境的真实模拟。此外，大型设备往往只能同时监测单个试样的性能变化，类似疲劳试验的长周期试验并不能同时展开，然而，在试验阶段，为了广泛测试并寻找合适材料，往往需要同步展开大量性能测试工作。因此，如何设计简单高效的测试装置并形成快捷准确的评价体系，有利于掌握材料的性能演变规律和探究材料的性能优化方案。

针对材料在多场复杂耦合作用下的各类性能表征及分析，亟需设计一种结构简单且能够有效协同作用以模拟材料的服役环境，同时实时、原位、动态监测材料在模拟环境中力学及腐蚀等行为的一体化测试装置，可以适用于预估不同材料的服役寿命，为建立和完善材料在多场复杂耦合作用下的性能演变评价体系提供科学的理论指导与实践基础。

发明内容