一种金属材料损伤情况的评价方法与流程

本发明属于金属材料腐蚀领域，具体涉及一种金属材料损伤情况的评价方法。

背景技术：

1、在电网规模迅速扩大、输电通道持续拓展的同时，输变电工程本体构件遭受复杂环境侵蚀发生损伤失效的风险也显著增加。特别是架空线路上具有连接作用的金属器具(连接金属器具)，是架空线路的关键组件，其用于将绝缘子、悬垂线夹、耐张线夹及保护金具等部件连接组合，形成悬垂或耐张串。

2、连接金属器具普遍采用钢铁材料制造，表面采用热镀锌进行防腐处理。由于热镀锌层不具有本征抗磨损性能，传统的钢基热镀锌连接金属器具在此服役环境下受到应力、滑动磨损和污秽腐蚀的复合作用，镀锌层会迅速损耗，随即形成钢与钢的对磨并使本体直接暴露于重度腐蚀的环境中，短期内即导致金属器具的损伤并失效断裂。

3、现有技术采用了各种手段研究腐蚀和磨损等服役环境对连接金属器具的损伤失效行为的影响，一般采用盐雾或者环境模拟液浸泡的腐蚀试验来模拟海洋工业大气环境，进行腐蚀试验，随后再对试样进行球板或销盘等摩擦试验，按照试验要求周期性分别进行腐蚀和摩擦试验。但是，实际上连接金属器具的服役环境非常复杂，长期处于大气腐蚀环境中，而风力等环境因素的影响，会导致连接金属器具同时受到腐蚀和磨损两类的损伤。现有技术当中周期性地采用盐雾或者环境模拟液浸泡的腐蚀试验和球板或销盘等的磨损试验，难以模拟实际环境对连接金属器具造成的影响，难以对实际服役环境下的连接金属器具的耐摩擦、耐腐蚀性能进行有效的综合评价。

技术实现思路

1、针对上述现有技术涉及的难以对同时处于受环境腐蚀和磨损两类损伤的金属器具的耐摩擦及耐腐蚀性能进行有效的综合评价的问题，本发明将提供一种金属材料损伤情况的评价方法。

2、为实现上述目的，具体包括以下技术方案：

3、一种金属材料损伤情况的评价方法，包括如下步骤：

4、(1)将金属材料置于腐蚀性环境下进行摩擦试验，得到磨损试样；所述腐蚀性环境包括含有盐雾和二氧化硫的氛围；

5、(2)对所述磨损试样进行金属材料损伤情况的评价。

6、本发明的方法中，将金属材料置于含有盐雾和二氧化硫的氛围下进行摩擦试验，金属材料同时处于受环境腐蚀和磨损两类损伤的条件，克服了现有技术中腐蚀和磨损周期性试验中单一时间内仅一种因素能造成材料失效的缺陷，更接近金属材料实际服役环境，使得试验结果更加准确和可靠，实现对金属材料的损伤情况进行有效评价，进而提高对金属材料耐摩擦及耐腐蚀性能评价的准确性和可靠性。

7、优选地，步骤(1)中，所述金属材料为平板结构，所述摩擦试验为往复式摩擦。

8、进一步优选地，所述往复式摩擦为球板摩擦的方式。

9、进一步优选地，在球板摩擦的方式中，所述摩擦试验具体包括如下步骤：将球状物体置于金属材料上，对所述球状物体施加竖直向下的力，使球状物体在金属材料上进行往复式摩擦。

10、更进一步优选地，所述球状物体的硬度大于等于所述金属材料的硬度。

11、球状物体可以选择与金属材料材质相同的材料，也可以选择比金属材料硬度高的材料，如可以选自gcr15、yg8等硬度高于金属材料的合金。

12、由于连接金属器件在服役过程中，存在钢与钢的对磨，因此，本发明将金属材料加工成平板结构，将球状物体放置与平板结构上，使其在平板结构上进行往复式摩擦，更加真实地模拟连接金属器件在实际服役工况中的摩擦和腐蚀损伤。

13、优选地，步骤(1)中，所述摩擦试验中，施加的竖直向下的力为1-100n。

14、在此范围的力的作用下，使得球状物体与金属材料之间的摩擦更接近连接金属器件在实际环境中产生的微动磨损。

15、优选地，步骤(1)中，所述摩擦试验的时间为10-120min。

16、金属材料在本发明的摩擦试验调节下最短只需要10min就能够使金属材料发生明显腐蚀，因此，采用上述摩擦试验的时间时，本发明的测试方法试验时间更短，试验成本更低。

17、优选地，步骤(1)中，所述二氧化硫占空气的体积分数为1×10-6-100×10-6，所述盐雾包括质量百分含量为3-8％的氯化钠，金属材料置于腐蚀性环境下时，金属材料表面沉积溶液的速率为0.5-2ml/h，所述二氧化硫的线性流速为0.05-3mm/s。

18、在所述摩擦试验中，含有nacl的水溶液喷雾形成盐雾，该盐雾从so2气体的进气口上方喷出，使盐雾和so2气体同步通入试验装置，在上述的二氧化硫的体积分数和盐雾的浓度下，更接近金属材料实际的服役条件，能更准确和有效地评估金属材料的损伤情况，适合应用在输电电网中的架空线路上具有连接作用的金属器具的损伤情况的评估，进而实现更准确和可靠的失效评估，为做好有效防范和降低失效风险提供研究依据。

19、优选地，步骤(1)中，所述金属材料包括结构钢；所述结构钢包括镀锌合金钢、经渗氮处理的合金钢、碳素结构钢、高耐磨高硬度结构钢中的至少一种。

20、优选地，步骤(1)中，所述腐蚀性环境的相对湿度为80-100％，所述腐蚀性环境的温度为-20-40℃。

21、优选地，步骤(2)中，采用综合损伤指标对所述磨损试样进行金属材料损伤情况的评价，所述综合损伤指标根据下述公式获得：

22、cdi＝log10tf+log10tμ+log10td           (1)；

23、

24、式(1)中，cdi为综合损伤指标；

25、式(1)-(3)中，所述摩擦试验中施加竖直向下的力为f，为f的平均值，sf为f的标准差，sef为f的标准误差，fmin为f的最低损伤指标，tf为f的t值；

26、式(1)、(4)和(5)中，所述摩擦试验中的摩擦系数为μ，为μ的平均值，sμ为μ的标准差，seμ为μ的标准误差，μmin为μ的最低损伤指标，tμ为μ的t值；

27、式(1)、(6)和(7)中，所述磨损试样的腐蚀坑深度为d，为d的平均值，sd为d的标准差，sed为d的标准误差，dmin为d的最低损伤指标，td为d的t值；

28、式(2)-(7)中，c为0～1的常数，n为样本数量，n≥1且为整数。

29、在对磨损试样的损伤情况进行评估时，涉及对磨损试样过摩擦试验过程相关性能参数的检测，包括：摩擦试验中施加(竖直向下)的力f，磨损试样的腐蚀坑深度d，金属材料与某一物体进行摩擦试验时两者之间的摩擦系数μ，进一步优选，某一物体为球状物体，金属材料为平板结构的金属材料，球状物体在平板结构的金属材料上进行往复式摩擦，测量球状物体和平板结构的金属材料之间的摩擦系数μ。

30、摩擦系数具体可通过将某一物体置于金属材料表面，并在该物体竖直方向施加力f(竖直向下指重力方向)，使该物体在金属材料表面进行水平往复摩擦，摩擦系数是该物体水平运动时与金属材料之间的摩擦力f和该物体上加的竖直向下的力f的比值，即μ＝f/f；本发明的腐蚀坑深度d是将磨损试样表面简单除锈后，采用激光共聚焦显微镜或3d超景深显微镜或其他常规测试条件测试磨损试样表面被损伤的深度。由于摩擦系数与材料硬度之间存在着一定程度上的相关性，因此，本发明的摩擦系数μ用于反映材料的耐摩擦性能，腐蚀坑深度d用于反映金属材料的腐蚀程度。

31、首先分别为竖直向下的力f、摩擦系数μ、腐蚀坑深度d定义一个最低损伤指标fmin、μmin、dmin；比如，定于最低损伤的力为0n，最低损伤的腐蚀坑深度为0微米，最低损伤的摩擦系数为0，或者将它们其中某一项定义成一个小于对应指标最小值的数，如fmin＜f，μmin＜μ，dmin＜d。

32、再基于施加的力f和力f的最低损伤指标fmin来计算力f的t值tf，基于测量得到的摩擦系数μ和摩擦系数μ的最低损伤指标μmin来计算摩擦系数μ的t值tμ，基于测量得到的腐蚀坑深度d和腐蚀坑深度d的最低损伤指标dmin来计算腐蚀坑深度d的t值td；如式(2)-(7)所示，将实际数据与最低损伤指标的数据进行独立的样本t检验，分别计算三个参数的t值。t值用于衡量样本统计量与假设中的参数估计值之间的差异的大小，反映实际数据与最低损伤指标的差异程度。

33、最后基于tf、tμ、td计算综合损伤指标(composite damage index，cdi)，如式(1)所示。根据综合损伤指标cdi的数值来评价金属材料的损伤情况，进而判断金属材料的耐摩擦及耐腐蚀性能，其中，cdi值越小，表明该金属材料的耐摩擦及耐腐蚀性能越好，反之，cdi值越大，表明该金属材料的耐摩擦及耐腐蚀性能越差。由于综合损伤指标cdi是综合了各项参数计算得到的，因此，采用综合损伤指标cdi的数值来评价金属材料的耐摩擦及耐腐蚀性能的结果会更加准确和可靠。

34、本发明基于t检验的方法不仅能够定量评估不同试验条件下金属材料损伤的显著性差异，还能综合考虑多个参数的影响，为金属材料的耐摩擦腐蚀性能的评估提供了一个有效的统计工具和决策依据。

35、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

36、本发明的方法中，将金属材料置于盐雾和二氧化硫的混合氛围中进行摩擦试验，对金属材料同时进行了腐蚀和磨损，克服了现有技术中腐蚀磨损周期性试验中，单一时间内仅一种因素能造成材料失效的缺陷，使得试验结果更加准确和可靠；而且，盐雾和二氧化硫的混合氛围能够加快对金属材料的腐蚀，使得同样的腐蚀时间内，腐蚀结果更加明显，进而使得试验数据测量的准确性更高，解决现有技术中难以对实际服役环境下的金属材料的耐摩擦腐蚀性能进行有效评价的问题。