CN108469376A - 金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法 - Google Patents

金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法，该装置包括试样，试样上下两端分别由上夹体和下夹体夹持，上夹体与上方的装有力传感器的作动器连接，力传感器测得的动态载荷信号由信号采集器收集后传入作动器控制器，下夹体与下方的立柱连接，立柱支撑在基座上，试样位于箱体内，箱体外设有电化学工作站和进出液机构、内设有参比电极和辅助电极，进出液机构能向箱体充入和排出电解冲氢介质，电化学工作站分别为试样工作部分、参比电极和辅助电极供电。本发明能更真实的反映材料在动态载荷下的氢脆性能，建立了涵盖等应力幅动态载荷、冲氢电流、材料疲劳寿命在内的三维评价体系。

Description

金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法
技术领域
本发明属于金属材料性能试验领域，具体涉及一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法。
背景技术
随着近年高强钢的开发与推广，其氢脆现象导致的开裂问题受到了全球高度关注，氢脆现象是材料-环境-应力相互作用而发生的一种环境脆化，是氢致材质恶化的一种形态，氢脆现象产生的延迟断裂是妨碍机械制造用钢高强度化的一个主要因素，其中，高强度螺栓钢的延迟断裂便是一个十分典型的事例，如，20世纪80年代初期，美国通用汽车公司由于安装在轿车底部控制架上的两个12.9级螺栓发生了延迟断裂，前后发生了27次交通事故，最终在640万辆轿车上更换了这两种螺栓。汽车工业的迅猛发展和汽车轻量化的持续推进加速了超高强度汽车用钢的研发和应用，汽车用钢的强度不断提高。然而，随着钢的强度不断提高，其氢脆敏感性也随之增大。因此，能有效评定材料的氢脆性能的方法越来越受到各国关注。
《高强度钢耐延迟断裂性能的评价方法》指出由于实用目的不同，不同的研究者提出了各种各样的加速型试验方法，这些方法大体上可分为以下几类：1)恒载荷和恒应变(拉伸、弯曲)试验，得到延迟断裂临界应力(门槛值或一定时间下的断裂应力)或断裂时间；2)低应变速率(拉伸)试验(SSRT)，得到断裂应力和塑性参量；3)断裂力学试验，用预制疲劳裂纹的试样得到临界应力场强度因子(K th或K ISCC)及裂纹扩展速率(da/dt)等断裂力学参量；4)发生断裂的临界氢含量等。从应力加载方式来看，可分为恒应变(恒位移)、恒载荷和慢应变速率试验三种，受力方式以弯曲应力和拉伸应力为主。
现有的试验方法均为静态、准静态氢脆试验方法，然而有不少的高强钢工件是在动态载荷下使用，如图1所示，以工程机械用钢为例，不论吊臂、撑杆、转轴，还是大梁等众多结构件，在机械做功过程中，其颠簸会受到垂直于地面的动态载荷，而做功过程力的传导引起的反作用力动态载荷。在冲撞过程中还受到较复杂的复合载荷作用，高强桥梁用钢、高强汽车用钢、高强特殊用钢等都有类似情况，均都在动态载荷工况中使用，不仅如此，很多高强钢均在多雨、潮湿、海边等富氢环境中使用，这就使得这些高强钢同时承受动态载荷与氢危害。然而，现有的试验方法仅仅考虑到静载荷及准静态载荷的情况，与事实状况不符。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法，本发明能更真实的反映材料在动态载荷下的氢脆性能，建立了涵盖等应力幅动态载荷、冲氢电流、材料疲劳寿命在内的三维评价体系，试验安全。
本发明所采用的技术方案是：
一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置，包括棒状或板状的试样，试样工作部分位于中部、平行且窄于两端、与两端圆弧过渡，试样上下两端分别由上夹体和下夹体夹持，上夹体和下夹体均通过绝缘材料层与试样隔离，上夹体与上方的装有力传感器的作动器连接，力传感器测得的动态载荷信号由信号采集器收集后传入作动器控制器，下夹体与下方的立柱连接，立柱支撑在基座上，试样位于箱体内，上夹体不接触的伸出箱体，下夹体密封的伸出箱体且与箱体固定，箱体外设有电化学工作站和进出液机构、内设有参比电极和辅助电极，进出液机构能向箱体充入和排出电解冲氢介质，电化学工作站由电源供电且分别为试样工作部分、参比电极和辅助电极供电。
进一步地，进出液机构包括水泵，水泵通过进水管与水箱上部连接、通过出水管与水箱底部连接、通过外水管外接，进水管、出水管和外水管上均有阀门。
进一步地，作动器控制器对作动器进行应力闭环反馈控制。
进一步地，电化学工作站通过隔离变压器与电源相连。
进一步地，下夹体通过耐腐蚀密封材料与箱体密封。
一种基于上述金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置的试验方法，包括步骤：
S1、加工试样，要求试样工作部分长度小于8倍的直径或厚度，试样工作部分与试样两端的过渡圆弧半径大于两倍的直径或厚度，试样两端的直径或宽度大于两倍的试样工作部分的直径或厚度，试样的平行度、同轴度、垂直度要小于试样工作部分的直径或厚度的5‰；
S2、安装试样前，对作动器的加力轴线、上夹体中心线和下夹体中心线进行同轴度检查，要求不同轴度产生的弯曲应变不大于5％；
S3、安装试样后，充入电解冲氢介质，要求电解冲氢介质高于试样工作部分且低于上夹体；
S4、采用升降法进行轴向疲劳试验，试验时，电化学工作站通过控制冲氢电流来间接控制试样表面冲氢量，作动器对试样进行轴向拉/压加载，在一组试验内，作动器保持应力比和平均应力不变，凡前一根试样不到指定寿命就破坏的，后一根试样就在低一级冲氢电流下进行，凡前一根试样超过指定寿命破坏的，则后一根试样就在高一级冲氢电流下进行，直到完成全部实验为止；
S5、进行验证试验，利用剩余的试样来验证前面试验中所得到的疲劳强度结果，试验疲劳强度设置为试验预测疲劳极限，如均不发生断裂即为合格；
S6、进行成组法试验，取不同级应力，对每一级应力，取3-4级冲氢电流，在每一级冲氢电流下试验一组试样，得到不同级应力和不同级冲氢电流下对应的材料疲劳寿命；
S7、进行数据处理，通过最小二乘法拟合出不同级应力下的冲氢电流强度-材料疲劳寿命图和不同级冲氢电流下的应力-材料疲劳寿命图。
进一步地，在S1中，试样加工时，从离最终直径0.1mm开始采用磨削，以每转不超过0.004mm的速率进行，然后进行抛光，用逐次变细的砂布或砂纸处理掉最后的0.025mm，最后的抛光方向沿试样的轴向，对于试样表面，要求表面平均粗糙度小于0.2μm，在20倍低倍放大情况下不能有明显划痕。
进一步地，在S4中，作动器保持应力比R＝-1、平均应力为0MPa、试验频率在50-250Hz之间应力比和平均应力不变。
进一步地，在S5中，试验疲劳强度设置为107次。
本发明的有益效果是：
试验时，电化学工作站通过控制冲氢电流来间接控制试样表面冲氢量，作动器对试样进行轴向拉/压加载、对每一组试验使用同等应力幅进行试验，上夹体与箱体之间设有间隙，以便于作动器可以自由运动，不影响其做功过程，下夹体只通过基座的反作用力传导力，下夹体与基座和箱体之间并不相对运动，因此密封效果较好，绝缘材料层保障在冲氢通电状态下，起到保护夹体与作动器的目的。本发明能更真实的反映材料在动态载荷下的氢脆性能，打破原有的二维评价体系，建立了涵盖等应力幅动态载荷、冲氢电流、材料疲劳寿命在内的三维评价体系。
附图说明
图1是工程机械工作示意图。
图2是本发明实施例的示意图。
图3是采用本方法后得到的不同级应力下的冲氢电流强度-材料疲劳寿命图。
图4是采用本方法后得到的不同级冲氢电流下的应力-材料疲劳寿命图
图中：1-试样；2-绝缘材料层；3-上夹体；4-下夹体；5-电解冲氢介质；6-箱体；7-参比电极；8-辅助电极；9-作动器；10-立柱；11-基座；12-力传感器测；13-信号采集器；14-作动器控制器；15-耐腐蚀密封材料；16-进水管；17-水泵；18-外水管；19-出水管；20-电化学工作站；21-电源；22-隔离变压器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图2所示，一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置，包括棒状或板状的试样1，试样1工作部分位于中部、平行且窄于两端、与两端圆弧过渡，试样1上下两端分别由上夹体3和下夹体4夹持，上夹体3和下夹体4均通过绝缘材料层2与试样1隔离，上夹体3与上方的装有力传感器12的作动器9连接，力传感器12测得的动态载荷信号由信号采集器13收集后传入作动器控制器14，下夹体4与下方的立柱10连接，立柱10支撑在基座11上，试样1位于箱体6内，上夹体3不接触的伸出箱体6，下夹体4密封的伸出箱体6且与箱体6固定，箱体6外设有电化学工作站20和进出液机构、内设有参比电极7和辅助电极8，进出液机构能向箱体6充入和排出电解冲氢介质5，电化学工作站20由电源21供电且通过导线分别为试样1工作部分、参比电极7和辅助电极8供电。
如图2所示，在本实施例中，进出液机构包括水泵17，水泵17通过进水管16与水箱6上部连接、通过出水管19与水箱6底部连接、通过外水管18外接，进水管16、出水管19和外水管18上均有阀门，实际上还可以增设一个水泵17，两个水泵17分别对应进水管16和出水管19并且分别连接外接管18。
如图2所示，在本实施例中，作动器控制器14对作动器9进行应力闭环反馈控制控制精度更高，能实时反馈调整。
如图2所示，在本实施例中，电化学工作站20通过隔离变压器22与电源21相连，保证用电安全。
如图2所示，下夹体4通过耐腐蚀密封材料15与箱体密封，在本实施例中，耐腐蚀密封材料15采用环氧树脂。
一种基于上述金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置的试验方法，包括步骤：
S1、加工试样1，要求试样1工作部分长度小于8倍的直径或厚度，试样1工作部分与试样1两端的过渡圆弧半径大于两倍的直径或厚度，试样1两端的直径或宽度大于两倍的试样1工作部分的直径或厚度，试样1的平行度、同轴度、垂直度要小于试样1工作部分的直径或厚度的5‰；
试样1加工时，从离最终直径0.1mm开始采用磨削，以每转不超过0.004mm的速率进行，然后进行抛光，用逐次变细的砂布或砂纸处理掉最后的0.025mm，最后的抛光方向沿试样1的轴向，对于试样1表面，要求表面平均粗糙度小于0.2μm，在20倍低倍放大情况下不能有明显划痕。
S2、安装试样1前，对作动器9的加力轴线、上夹体3中心线和下夹体4中心线进行同轴度检查，要求不同轴度产生的弯曲应变不大于5％。
S3、安装试样1后，充入电解冲氢介质5，要求电解冲氢介质5高于试样1工作部分且低于上夹体3。
S4、采用升降法进行轴向疲劳试验(遵照国际标准ISO 1099“轴向疲劳试验”来进行)，试验时，电化学工作站20通过控制冲氢电流来间接控制试样表面冲氢量，作动器9对试样1进行轴向拉/压加载，在一组试验内，作动器9保持应力比和平均应力不变(即控制波形保持不变，一般采用正弦波)，凡前一根试样1不到指定寿命就破坏的，后一根试样1就在低一级冲氢电流下进行，凡前一根试样1超过指定寿命破坏的，则后一根试样1就在高一级冲氢电流下进行，直到完成全部实验为止；
在本实施例中，作动器9保持应力比R＝-1、平均应力为0MPa、试验频率在50-250Hz之间应力比和平均应力不变。
S5、进行验证试验，利用剩余的(一般为三个)试样1来验证前面试验中所得到的疲劳强度结果，试验疲劳强度设置为试验预测疲劳极限，如均不发生断裂即为合格；
在本实施例中，试验疲劳强度设置为107次。
S6、进行成组法试验，取不同级应力，对每一级应力，取3-4级冲氢电流，在每一级冲氢电流下试验一组试样1，得到不同级应力和不同级冲氢电流下对应的材料疲劳寿命(数据分散性小时，试样1可以少取一些，数据分散性大时，则需要更多的试样1)。
S7、进行数据处理，通过最小二乘法拟合出不同级应力下的冲氢电流强度-材料疲劳寿命图和不同级冲氢电流下的应力-材料疲劳寿命图(此两图为评价材料等应力幅动态氢脆性能的重要依据)；
最小二乘法拟合步骤：假设有4级应力分别为σ1、σ2、σ3和σ4，3级冲氢电流分别为I1、I2和I3(冲氢电流为I1时，取经过试验预测疲劳极限仍未断裂的应力幅值为σNI1，冲氢电流为I2时，取经过试验预测疲劳极限仍未断裂的应力幅值为σNI2，冲氢电流为I3时，取经过试验预测疲劳极限仍未断裂的应力幅值为σNI3)，然后对(σi，Nij)和(Ij，Nij)取对数(其中，i为应力的级数、j为冲氢电流的级数、Nij为i级应力和j级冲氢电流下的材料疲劳寿命)，最后分别进行最小二乘法拟合。
试验时，电化学工作站20通过控制冲氢电流来间接控制试样表面冲氢量，作动器9对试样1进行轴向拉/压加载、对每一组试验使用同等应力幅进行试验，上夹体3与箱体6之间设有间隙，以便于作动器9可以自由运动，不影响其做功过程，下夹体4只通过基座11的反作用力传导力，下夹体4与基座11和箱体6之间并不相对运动，因此密封效果较好，绝缘材料层2保障在冲氢通电状态下，起到保护夹体与作动器9的目的。本发明能更真实的反映材料在动态载荷下的氢脆性能，打破原有的二维评价体系，建立了涵盖等应力幅动态载荷、冲氢电流、材料疲劳寿命在内的三维评价体系。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置，其特征在于：包括棒状或板状的试样，试样工作部分位于中部、平行且窄于两端、与两端圆弧过渡，试样上下两端分别由上夹体和下夹体夹持，上夹体和下夹体均通过绝缘材料层与试样隔离，上夹体与上方的装有力传感器的作动器连接，力传感器测得的动态载荷信号由信号采集器收集后传入作动器控制器，下夹体与下方的立柱连接，立柱支撑在基座上，试样位于箱体内，上夹体不接触的伸出箱体，下夹体密封的伸出箱体且与箱体固定，箱体外设有电化学工作站和进出液机构、内设有参比电极和辅助电极，进出液机构能向箱体充入和排出电解冲氢介质，电化学工作站由电源供电且分别为试样工作部分、参比电极和辅助电极供电。
2.如权利要求1所述的金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置，其特征在于：进出液机构包括水泵，水泵通过进水管与水箱上部连接、通过出水管与水箱底部连接、通过外水管外接，进水管、出水管和外水管上均有阀门。
3.如权利要求1所述的金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置，其特征在于：作动器控制器对作动器进行应力闭环反馈控制。
4.如权利要求1所述的金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置，其特征在于：电化学工作站通过隔离变压器与电源相连。
5.如权利要求1所述的金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置，其特征在于：下夹体通过耐腐蚀密封材料与箱体密封。
6.一种基于权利要求1至5任一所述的金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置的试验方法，其特征在于：包括步骤，
S1、加工试样，要求试样工作部分长度小于8倍的直径或厚度，试样工作部分与试样两端的过渡圆弧半径大于两倍的直径或厚度，试样两端的直径或宽度大于两倍的试样工作部分的直径或厚度，试样的平行度、同轴度、垂直度要小于试样工作部分的直径或厚度的5‰；
S2、安装试样前，对作动器的加力轴线、上夹体中心线和下夹体中心线进行同轴度检查，要求不同轴度产生的弯曲应变不大于5％；
S3、安装试样后，充入电解冲氢介质，要求电解冲氢介质高于试样工作部分且低于上夹体；
S4、采用升降法进行轴向疲劳试验，试验时，电化学工作站通过控制冲氢电流来间接控制试样表面冲氢量，作动器对试样进行轴向拉/压加载，在一组试验内，作动器保持应力比和平均应力不变，凡前一根试样不到指定寿命就破坏的，后一根试样就在低一级冲氢电流下进行，凡前一根试样超过指定寿命破坏的，则后一根试样就在高一级冲氢电流下进行，直到完成全部实验为止；
S5、进行验证试验，利用剩余的试样来验证前面试验中所得到的疲劳强度结果，试验疲劳强度设置为试验预测疲劳极限，如均不发生断裂即为合格；
S6、进行成组法试验，取不同级应力，对每一级应力，取3-4级冲氢电流，在每一级冲氢电流下试验一组试样，得到不同级应力和不同级冲氢电流下对应的材料疲劳寿命；
S7、进行数据处理，通过最小二乘法拟合出不同级应力下的冲氢电流强度-材料疲劳寿命图和不同级冲氢电流下的应力-材料疲劳寿命图。
7.如权利要求6所述的金属材料等应力幅动态氢脆性能试验方法，其特征在于：在S1中，试样加工时，从离最终直径0.1mm开始采用磨削，以每转不超过0.004mm的速率进行，然后进行抛光，用逐次变细的砂布或砂纸处理掉最后的0.025mm，最后的抛光方向沿试样的轴向，对于试样表面，要求表面平均粗糙度小于0.2μm，在20倍低倍放大情况下不能有明显划痕。
8.如权利要求6所述的金属材料等应力幅动态氢脆性能试验方法，其特征在于：在S4中，作动器保持应力比R＝-1、平均应力为0MPa、试验频率在50-250Hz之间应力比和平均应力不变。
9.如权利要求6所述的金属材料等应力幅动态氢脆性能试验方法，其特征在于：在S5中，试验疲劳强度设置为107次。
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