CN112051201A - 一种循环加载氢渗透实验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种循环加载氢渗透实验装置及其使用方法，装置包括下本体、上本体和弯曲夹具组件；下本体为顶端敞口的中空壳体，具有下腔体；上本体具有上下贯穿呈长方体状的上腔体；上本体底部具有两条向下凸出且平行的轨道本体；上本体与下本体可拆卸固定连接，固定时，其轨道本体伸入下腔体；弯曲夹具组件包括两个顶件块、上压头和加载柱；两个顶件快均置于轨道中，分别堵住轨道的两端，试样制成与上腔体等宽且短于上腔体的板状件，放置在两个顶件块上，隔离上腔体和下腔体，固定在加载柱底端的上压头置于试样上，加载柱向下施压，试样在顶件凸起和压件凸起的作用下逐渐弯曲。本发明具有操作方便、应用灵活等优点。
Description
技术领域
本发明属于金属材料性能测试技术领域，涉及一种氢渗透实验装置，尤其涉及一种循环加载氢渗透实验装置及其使用方法。
背景技术
随着金属材料的广泛应用，金属材料的性能变得至关重要，尤其是钢的使用在海洋工程上更为突出，由于海水的特殊性，容易使钢材产生氢脆现象，氢脆现象是指由于氢以原子状态渗入金属内，在金属内部再结合成分子而产生很高的压力，严重时会导致表面鼓包或皱折，从而使钢的优越性能丧失，因此，对影响氢渗透现象因素的研究，对氢渗透的作用机理和安全防护等方面具有重要的意义。
目前，氢渗透试验大多采用电化学渗透方法测定氢在金属结构中的扩散行为，用电化学充氢方法可获得比实际工况条件苛刻的氢浓度，更能模拟反应器的停工状态，且试验装置相对简易，故该方法更适合材料多场耦合环境下氢脆的研究，然而现有技术中大多无法实现试件拉伸与电化学反应同时进行，同时外加循环很难达到恒定，不能准确的进行氢渗透曲线的测定，此外，外加循环机构与电解槽也难以连接，现有设备难以实现慢拉伸与电化学腐蚀设备间的良好配合，可选试样A种类局限较大。
发明内容
本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置及其使用方法，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，具有这样的特征：包括下本体、上本体和弯曲夹具组件；下本体为顶端敞口的中空壳体，具有下腔体；上本体具有上下贯穿呈长方体状的上腔体；上本体底部具有两条向下凸出且平行的轨道本体，分别位于上腔体底端开口的两侧，且长于上腔体，轨道本体底面的内侧具有向内侧延伸的轨道底边，两个轨道本体及其轨道底边构成顶件块的轨道；上本体与下本体可拆卸固定连接，固定时，其轨道本体伸入下腔体；弯曲夹具组件包括两个顶件块、上压头和加载柱；两个顶件块均夹在两个轨道本体之间、置于轨道底边上，顶件块可在轨道中滑动；顶件块的内侧具有一条沿垂直于轨道方向设置的凹槽，凹槽外侧部分的顶件块顶面与上本体底面相切，凹槽内侧部分的顶件块顶面呈向上拱起的弧面，构成条状的顶件凸起；上压头为长度和宽度均小于上腔体的板体，上压头的底面具有一条或两条沿垂直于轨道方向设置的、向下凸出的压件凸起；加载柱竖直设置，可上下移动，上压头与加载柱的底端可拆卸固定连接，固定后可随其上下移动；两个顶件快均置于轨道中，分别堵住轨道的两端，试样制成与上腔体等宽且短于上腔体的板状件，放置在两个顶件块上，隔离上腔体和下腔体，固定在加载柱底端的上压头置于试样上，加载柱向下施压，试样在顶件凸起和压件凸起的作用下逐渐弯曲。
进一步，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，还可以具有这样的特征：其中，上本体还具有上下贯穿的上本体电极插孔，上本体电极插孔与下腔体相通；上腔体的顶部开口配有双向开合的盖板，在加载柱周围覆盖上腔体开口，盖板具有两个上下贯穿的盖板电极插孔；装置还包括电极组件；电极组件包括饱和甘汞电极和两个铂电极，饱和甘汞电极和一个铂电极分别通过两个盖板电极插孔插入上腔体中的充氢溶液中，另一铂电极通过上本体电极插孔插入下腔体中的逸氢溶液中；加载柱的顶端设有U型端子；上本体的侧壁具有上出液口，充氢溶液可从上腔体的顶端开口注入，自上出液口排出；下本体的侧壁具有下进液口和下出液口，逸氢溶液可从下进液口注入，自下出液口排出；上出液口、下进液口和下出液口均配有堵塞。
进一步，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，还可以具有这样的特征：还包括电磁感应线圈和温控箱；电磁感应线圈套在固定后的上本体和下本体外，电磁感应线圈与温控箱连接，温控箱控制其加热温度。
进一步，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，还可以具有这样的特征：还包括支架和电机；支架包括底座和电机架；底座上具有带外螺纹的定位凸起，下本体的底部具有带螺纹的定位凹槽，下本体可通过其定位凹槽螺纹连接固定在底座的定位凸起上；电机架固定在底座上，电机固定安装在电机架上，当下本体和上本体固定在底座上时，电机位于上本体的正上方，加载柱固定在电机的下端，电机可带动加载柱上下移动。
进一步，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，还可以具有这样的特征：其中，每个顶件块配有一个丝杆；丝杆为具有头部和带有外螺纹杆体的杆件；顶件块外端具有开口朝向侧面的横向T型槽，横向T型槽与丝杆相匹配，丝杆的头部和部分杆体可从侧面水平地嵌入顶件块内；下本体的相对的两侧分别设有带内螺纹的顶件块定位孔，分别与两个嵌入在顶件块中的丝杆一一对应且并匹配，丝杆可螺纹连接在对应顶件块定位孔中，外端穿出下本体；顶件块置于轨道中，其丝杆从对应的顶件块定位孔中旋出，旋转丝杆外端，可移动顶件块在轨道中的位置。
进一步，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，还可以具有这样的特征：其中，压件凸起的数量为两个，对称位于上压头的两侧。
进一步，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，还可以具有这样的特征：其中，压件凸起的数量为一个，位于上压头的中间位置。
进一步，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，还可以具有这样的特征：其中，上本体的底面边缘与下本体的上端面具有相匹配的镶嵌结构，上本体可镶嵌在下本体上；装置还具有多个贯穿上本体和下本体的螺钉，上本体与下本体镶嵌后，通过螺钉固定。
进一步，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，还可以具有这样的特征：其中，上本体与下本体之间，盖板与上本体之间均垫有密封材料；上本体电极插孔和盖板电极插孔外设有垫圈。
本发明还提供该循环加载氢渗透实验装置的使用方法，具有这样的特征：包括以下步骤：
S1、将下本体固定在支架的底座上；
S2、将上本体置于下本体上，与下本体固定，将顶件块安装在轨道中；
S3、将试样置于顶件块上，其中，试样为与上腔体等宽且短于上腔体的板状件，板材试样与上腔体接触部分涂有密封防水胶；
S4、将加载柱上端与电机连接固定，加载柱下端与上压头连接，驱动电机，使上压头和加载柱缓慢伸进上腔体内，至上压头与试样接触良好，控制电机来设置上压头所需受力范围，使上压头和顶件块能与试样受力均匀紧密贴合，通过加载柱预加载使上压头压紧试样，以达到上下腔体隔绝密封的目的；
S5、通过下进液口注入0.2mol/L的NaOH溶液，注入结束后用丁基胶塞堵住；
S6、盖上盖板，并从电极孔处安装相应的电极；
S7、将电磁感应线圈套在上本体和下本体外壁，电磁感应线圈与温控箱连接，可调节试验环境温度；
S8、将一铂电极和加载柱上U型端子分别与恒电位仪相连，另一铂电极和甘汞电极与电化学工作站相连，设定恒电位仪0.2V，首先将试样中残留的可扩散氢全部电离形成阳极电流，当电流逐渐降至1μA后，然后直接从上腔体上方倒入0.2mol/L的H2SO4+0.22g/L硫脲的水溶液充氢，同时记录阳极电流与实践的关系曲线，进行氢渗透实验。
本发明的有益效果在于：
一、本发明装置能够满足各种密闭或循环对流溶液环境；通过加载柱和上压头的可拆卸达到既可实施四点弯曲也可实施三点弯曲的实验；通过温控装置来控制溶液的温度。
二、本发明试样在氢渗透反应装置中进行电化学反应，通过石墨垫片、聚四氟乙烯复合垫片、树脂等密封材料，防止出现渗液、漏液的现象，经实验密封性能满足72h的基本要求，本装置对溶液的循环加载具有很强的适用性。
三、本发明对于5cm-10cm范围内的板材试样，通过调节下腔体外壁的丝杠来滑动顶件块，从而调节两载物凸起的间距，丝杠与下腔体外壁的螺纹连接可以很好的达到良好的紧密性，顶件块两端的T型槽与丝杠间隙配合，便于丝杠的拆卸。
附图说明
图1是部分循环加载氢渗透实验装置的剖面主视图；
图2是部分循环加载氢渗透实验装置的剖面侧视图；
图3是具有一个压件凸起的部分循环加载氢渗透实验装置的剖面主视图；
图4是支架和电机的主视图；
图5是部分循环加载氢渗透实验装置的俯视图；
图6是部分循环加载氢渗透实验装置的侧视图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1和2所示，本发明提供一种循环加载氢渗透实验装置，包括下本体1、上本体2和弯曲夹具组件。
下本体1为顶端敞口的中空壳体，具有下腔体11。
上本体2具有上下贯穿呈长方体状的上腔体21。
上本体2底部具有两条向下凸出且平行的轨道本体22，分别位于上腔体21底端开口的两侧，且长于上腔体21。轨道本体22底面的内侧具有向内侧延伸的轨道底边23，两个轨道本体22及其轨道底边23构成顶件块31的轨道24。
上本体2与下本体1可拆卸固定连接。固定时，其轨道本体22伸入下腔体11。具体的，上本体2的底面边缘与下本体1的上端面具有相匹配的镶嵌结构，上本体2可镶嵌在下本体1上。装置还具有多个贯穿上本体2和下本体1的螺钉，上本体2与下本体1镶嵌后，通过螺钉固定。
弯曲夹具组件包括两个顶件块31、上压头32和加载柱33。
两个顶件块31均夹在两个轨道本体22之间、置于轨道底边23上，顶件块31可在轨道24中滑动。
具体的，每个顶件块31配有一个丝杆34。丝杆34为具有头部和带有外螺纹杆体的杆件。顶件块31外端具有开口朝向侧面的横向T型槽312，横向T型槽312与丝杆34相匹配，丝杆34的头部和部分杆体可从侧面水平地嵌入顶件块31内。下本体1的相对的两侧分别设有带内螺纹的顶件块31定位孔，分别与两个嵌入在顶件块31中的丝杆34一一对应且并匹配，丝杆34可螺纹连接在对应顶件块31定位孔中，外端穿出下本体1顶件块31置于轨道24中，其丝杆34从对应的顶件块31定位孔中旋出，旋转丝杆34外端，可移动顶件块31在轨道24中的位置。
顶件块31的内侧具有一条沿垂直于轨道24方向设置的凹槽，凹槽外侧部分的顶件块31顶面与上本体2底面相切，即当顶件块31位于轨道24端部时，该部分顶面紧贴在上本体2的底面上，二者之间无缝隙。凹槽内侧部分的顶件块31顶面呈向上拱起的弧面，构成条状的顶件凸起311。
上压头32为长度和宽度均小于上腔体21的板体，上压头32的底面具有一条或两条沿垂直于轨道24方向设置的、向下凸出的压件凸起321。
如图1所示，压件凸起321的数量为两个，对称位于上压头32的两侧，可以实现四点弯曲实验。压件凸起321的数量还可以为一个，位于上压头32的中间位置，如图3所示，可以实现三点弯曲实验。
加载柱33竖直设置，可上下移动。上压头32与加载柱33的底端可拆卸固定连接，固定后可随其上下移动。上压头32与加载柱33可以通过螺纹等结构形式实现可拆卸连接，以更换不同的上压头33进行不同的弯曲实现。
具体的，如图4所示，装置还包括支架7和电机8。支架7包括底座71和电机架72。底座71上具有带外螺纹的定位凸起73，下本体1的底部具有带螺纹的定位凹槽12，下本体1可通过其定位凹槽12螺纹连接固定在底座71的定位凸起73上。电机架72固定在底座71上。电机8固定安装在电机架72上。当下本体1和上本体2固定在底座71上时，电机8位于上本体2的正上方。加载柱33固定在电机8的下端，电机8可带动加载柱33上下移动。
两个顶件快均置于轨道24中，分别堵住轨道24的两端。试样A制成与上腔体21等宽且短于上腔体21的板状件，放置在两个顶件块31上。固定在加载柱33底端的上压头32置于试样A上，加载柱33向下施压，试样A将上腔体21和下腔体11隔离。下腔体11和上腔体21可分别充入充氢和逸氢溶液，试样A在顶件凸起311和压件凸起321的作用下逐渐弯曲，从而进行氢渗透实验。
如图1和5所示，装置还包括电极组件。
上本体2还具有上下贯穿的上本体电极插孔25，上本体电极插孔25与下腔体11相通。上腔体21的顶部开口配有双向开合的盖板4，在加载柱33周围覆盖上腔体21开口，盖板4具有两个上下贯穿的盖板电极插孔41。
电极组件包括饱和甘汞电极51和两个铂电极521和522。饱和甘汞电极51和一个铂电极521分别通过两个盖板电极插孔41插入上腔体21中的充氢溶液中，另一铂电极522通过上本体电极插孔25插入下腔体11中的逸氢溶液中。其中，饱和甘汞电极51玻璃材质，前端玻璃直径：6mm，内充饱和氯化钾溶液，铂电极长宽厚度均可根据要求定制。
加载柱33的顶端设有U型端子53，U型端子53用于插U型插头线。
上本体2的侧壁具有上出液口26，充氢溶液可从上腔体21的顶端开口注入，自上出液口26排出，以实现循环。下本体1的侧壁具有下进液口13和下出液口14，逸氢溶液可从下进液口13注入，自下出液口14排出，以实现循环。上出液口26、下进液口13和下出液口14均配有丁基胶塞等堵塞。
如图6所示，装置还包括电磁感应线圈61和温控箱62。电磁感应线圈61套在固定后的上本体2和下本体1外，电磁感应线圈61与温控箱62连接，温控箱62控制其加热温度，从而调节实验环境温度。
此外，上本体2与下本体1之间，盖板4与上本体2之间均垫有密封材料，以实现装置密封。上本体电极插孔25和盖板电极插孔41外设有垫圈，以密封和固定相应电极。密封材料可以是石墨垫片、聚四氟乙烯复合垫片、树脂等热稳定耐腐蚀的材质，尤其是石墨垫片，热稳定、自润滑、耐腐蚀、不老化、不发脆的特点；垫圈可以采用柔性石墨夹金属、SIL硅橡胶等耐高温的材料。
本循环加载氢渗透实验装置的使用方法，包括以下步骤：
S1、将下本体1固定在支架7的底座71上。
S2、将上本体2置于下本体1上，与下本体1固定，将顶件块31安装在轨道24中。具体的，将顶件块31与丝杠整体放入轨道24中，旋转丝杠，使丝杠与下腔体11螺纹连接。
S3、将试样A置于顶件块31上，其中，试样A为与上腔体21等宽且短于上腔体21的板状件，板材试样A与上腔体21接触部分涂有密封防水胶。
S4、将加载柱33上端与电机8连接固定，加载柱33下端与上压头32连接，驱动电机8，使上压头32和加载柱33缓慢伸进上腔体21内，至上压头32与试样A接触良好，控制电机8来设置上压头32所需受力范围，使上压头32和顶件块31能与试样A受力均匀紧密贴合，通过加载柱33预加载使上压头32压紧试样A，以达到上下腔体11隔绝密封的目的。
S5、取出下进液口13的丁基胶塞，通过下进液口13注入0.2mol/L的NaOH溶液，注入结束后用丁基胶塞堵住。
S6、盖上盖板4，并从电极孔处安装相应的电极。
S7、将内径2mm、外径5mm的电磁感应线圈61套在上本体2和下本体1外壁，电磁感应线圈61与温控箱62连接，可调节试验环境温度。
S8、将一铂电极522和加载柱33上U型端子53分别与恒电位仪相连，另一铂电极521、加载柱33上U型端子53和饱和甘汞电极51与电化学工作站相连，设定恒电位仪0.2V，首先将试样A中残留的可扩散氢全部电离形成阳极电流，当电流逐渐降至1μA后认为已稳定，然后直接从上腔体21上方倒入0.2mol/L的H2SO4+0.22g/L硫脲的水溶液充氢，同时记录阳极电流与实践的关系曲线，进行氢渗透实验。
另外，将下本体1的下进液口13和下出液口14与外界水循环相连，其他与上述实验过程相同，可进行流体环境下的氢渗透循环加载试验。
Claims (10)
1.一种循环加载氢渗透实验装置，其特征在于：
包括下本体、上本体和弯曲夹具组件；
所述下本体为顶端敞口的中空壳体，具有下腔体；
所述上本体具有上下贯穿呈长方体状的上腔体；
上本体底部具有两条向下凸出且平行的轨道本体，分别位于上腔体底端开口的两侧，且长于上腔体，轨道本体底面的内侧具有向内侧延伸的轨道底边，两个轨道本体及其轨道底边构成顶件块的轨道；
上本体与下本体可拆卸固定连接，固定时，其轨道本体伸入下腔体；
所述弯曲夹具组件包括两个顶件块、上压头和加载柱；
两个顶件块均夹在两个轨道本体之间、置于轨道底边上，顶件块可在轨道中滑动；
顶件块的内侧具有一条沿垂直于轨道方向设置的凹槽，凹槽外侧部分的顶件块顶面与上本体底面相切，凹槽内侧部分的顶件块顶面呈向上拱起的弧面，构成条状的顶件凸起；
上压头为长度和宽度均小于上腔体的板体，上压头的底面具有一条或两条沿垂直于轨道方向设置的、向下凸出的压件凸起；
加载柱竖直设置，可上下移动，上压头与加载柱的底端可拆卸固定连接，固定后可随其上下移动；
两个顶件快均置于轨道中，分别堵住轨道的两端，试样制成与上腔体等宽且短于上腔体的板状件，放置在两个顶件块上，隔离上腔体和下腔体，固定在加载柱底端的上压头置于试样上，加载柱向下施压，试样在顶件凸起和压件凸起的作用下逐渐弯曲。
2.根据权利要求1所述的循环加载氢渗透实验装置，其特征在于：
其中，上本体还具有上下贯穿的上本体电极插孔，上本体电极插孔与下腔体相通；
上腔体的顶部开口配有双向开合的盖板，在所述加载柱周围覆盖上腔体开口，盖板具有两个上下贯穿的盖板电极插孔；
装置还包括电极组件；
电极组件包括饱和甘汞电极和两个铂电极，饱和甘汞电极和一个铂电极分别通过两个盖板电极插孔插入上腔体中的充氢溶液中，另一铂电极通过上本体电极插孔插入下腔体中的逸氢溶液中；
所述加载柱的顶端设有U型端子；
所述上本体的侧壁具有上出液口，充氢溶液可从上腔体的顶端开口注入，自上出液口排出；
所述下本体的侧壁具有下进液口和下出液口，逸氢溶液可从下进液口注入，自下出液口排出；
上出液口、下进液口和下出液口均配有堵塞。
3.根据权利要求2所述的循环加载氢渗透实验装置，其特征在于：
还包括电磁感应线圈和温控箱；
电磁感应线圈套在固定后的上本体和下本体外，电磁感应线圈与温控箱连接，温控箱控制其加热温度。
4.根据权利要求3所述的循环加载氢渗透实验装置，其特征在于：
还包括支架和电机；
支架包括底座和电机架；
底座上具有带外螺纹的定位凸起，所述下本体的底部具有带螺纹的定位凹槽，下本体可通过其定位凹槽螺纹连接固定在底座的定位凸起上；
电机架固定在底座上，电机固定安装在电机架上，当下本体和上本体固定在底座上时，电机位于上本体的正上方，所述加载柱固定在电机的下端，电机可带动加载柱上下移动。
5.根据权利要求1所述的循环加载氢渗透实验装置，其特征在于：
其中，每个所述顶件块配有一个丝杆；
丝杆为具有头部和带有外螺纹杆体的杆件；
顶件块外端具有开口朝向侧面的横向T型槽，横向T型槽与丝杆相匹配，丝杆的头部和部分杆体可从侧面水平地嵌入顶件块内；
所述下本体的相对的两侧分别设有带内螺纹的顶件块定位孔，分别与两个嵌入在顶件块中的丝杆一一对应且并匹配，丝杆可螺纹连接在对应顶件块定位孔中，外端穿出下本体；
顶件块置于轨道中，其丝杆从对应的顶件块定位孔中旋出，旋转丝杆外端，可移动顶件块在轨道中的位置。
6.根据权利要求1所述的循环加载氢渗透实验装置，其特征在于：
其中，所述压件凸起的数量为两个，对称位于所述上压头的两侧。
7.根据权利要求1所述的循环加载氢渗透实验装置，其特征在于：
其中，所述压件凸起的数量为一个，位于所述上压头的中间位置。
8.根据权利要求1所述的循环加载氢渗透实验装置，其特征在于：
其中，所述上本体的底面边缘与下本体的上端面具有相匹配的镶嵌结构，上本体可镶嵌在下本体上；
装置还具有多个贯穿上本体和下本体的螺钉，上本体与下本体镶嵌后，通过螺钉固定。
9.根据权利要求2所述的循环加载氢渗透实验装置，其特征在于：
其中，所述上本体与下本体之间，盖板与上本体之间均垫有密封材料；
所述上本体电极插孔和盖板电极插孔外设有垫圈。
10.如权利要求4所述的循环加载氢渗透实验装置的使用方法，其特征在于：
包括以下步骤：
S1、将所述下本体固定在支架的底座上；
S2、将所述上本体置于下本体上，与下本体固定，将顶件块安装在轨道中；
S3、将试样置于顶件块上，其中，试样为与上腔体等宽且短于上腔体的板状件，板材试样与上腔体接触部分涂有密封防水胶；
S4、将所述加载柱上端与电机连接固定，加载柱下端与上压头连接，驱动电机，使上压头和加载柱缓慢伸进上腔体内，至上压头与试样接触良好，控制电机来设置上压头所需受力范围，使上压头和顶件块能与试样受力均匀紧密贴合，通过加载柱预加载使上压头压紧试样，以达到上下腔体隔绝密封的目的；
S5、通过下进液口注入0.2mol/L的NaOH溶液，注入结束后用丁基胶塞堵住；
S6、盖上盖板，并从电极孔处安装相应的电极；
S7、将电磁感应线圈套在上本体和下本体外壁，电磁感应线圈与温控箱连接，可调节试验环境温度；
S8、将一铂电极和加载柱上U型端子分别与恒电位仪相连，另一铂电极和甘汞电极与电化学工作站相连，设定恒电位仪0.2V，首先将试样中残留的可扩散氢全部电离形成阳极电流，当电流逐渐降至1μA后，然后直接从上腔体上方倒入0.2mol/L的H2SO4+0.22g/L硫脲的水溶液充氢，同时记录阳极电流与实践的关系曲线，进行氢渗透实验。
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