CN116735464A - 一种动态充氢的氢致疲劳试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态充氢的氢致疲劳试验装置及方法，通过环境腔与阴极充氢模拟设备服役的氢环境，通过疲劳试验机施加疲劳载荷模拟实际工况的应力波动。通过改变充氢电流密度、充氢时间、施加的载荷（应力控），考察金属试样在氢环境下的力学性能，更具其断口形貌、疲劳寿命、疲劳强度极限和中断实验等信息综合评价氢环境中金属材料力学性能的劣化程度。
Description
技术领域
本发明涉及节能环保领域，具体为一种动态充氢的氢致疲劳试验装置及方法。
背景技术
氢对几乎所有金属都有氢致塑性减损和氢致断裂抗性降低的不利影响，这些现象一般统称为氢脆。而材料在制备、加工和使用中都可能有氢进入材料。所以，研究氢对材料的影响成为安全、经济的使用材料的关键。
为了研究氢对材料的影响，需要对含氢的试样进行力学测试。常用的充氢方法有水溶液电解充氢、熔盐电解充氢和气相充氢，其中水溶液电解充氢因为其安全性和易操作性应用最广泛。
目前对于金属材料基础力学性能的测试包括预充氢/动态充氢拉伸实验，滞后断裂实验与疲劳实验。对于拉伸与滞后断裂实验，已经有比较成熟的实验装置，能够实现安全可靠的测试。
常规的氢致疲劳测试通常都是先预充氢再进行疲劳实验，一方面预充氢后的试样暴露在空气中会发生氢的逸散，而疲劳实验持续时间较长，长时间实验导致试样中氢大量逸散，这对于探究氢对材料疲劳性能的影响是不利的，因此预充氢疲劳实验多为低周疲劳，材料在氢环境中的高周疲劳性能由于动态疲劳测试装置缺乏而尚未明确；另一方面，应力状态会影响氢在材料中的扩散，而扩散氢又会反作用于应力的再分布，单纯的预充氢实验只能体现氢对应力状态的影响而无法体现应力状态对于氢扩散的影响，为探究应力场和浓度场的耦合效应，用于疲劳实验的动态充氢装置必不可少；此外，这种动态充氢的疲劳实验装置与实际临氢设备运行工况更加贴合，由此得到的实验结果能更好的为工业生产提供指导。
如上所述，目前还没有这类实现对试样充氢同时进行高周疲劳测试的装置，不足以满足目前在氢环境下疲劳性能测试的要求。因此，设计开发动态充氢疲劳实验装置系统有重要的意义。
发明内容
发明的目的在于提出了一种动态充氢的氢致疲劳试验装置及方法，实现对试样充氢的同时进行疲劳实验，通过断口形貌、疲劳寿命、疲劳强度极限和中断实验，评价材料氢环境下的疲劳性能以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种动态充氢的氢致疲劳试验装置，包括端盖、罐体、下盖体和紧固端盖，端盖和下盖体分别固定在罐体的两端，端盖为圆环状，紧固端盖为二阶圆筒，自上而下依次为第一圆筒和第二圆筒，罐体的侧壁上开有电极孔、进液孔和排液孔，电极孔用于放置铂电极，进液孔和排液孔用于更新充氢溶液；下盖体的中心设有自上向下直径递增的二阶通孔，依次为第一通孔和第二通孔，试样的待拉伸段位于罐体内，试样的上端自端盖的中心孔伸出，试样的下端自下盖体的二阶通孔伸出，其中试样与第一通孔通过螺纹固连，第二通孔内设有密封圈，紧固端盖的第一圆筒伸入第二通孔中压紧密封圈，再通过螺栓将紧固端盖固定在下盖体底面。
一种动态充氢的氢致疲劳试验装置的测试方法，步骤如下：
步骤1、安装动态充氢的氢致疲劳试验装置，并在罐体上连接铂电极、进液管、出液管；将铂电极与直流电源阳极相连，试样与直流电源阴极相连。
步骤2、对步骤1安装好的试验装置进行密封性测试，以保证实验过程中不会发生溶液的泄漏。
步骤3、将安装有动态充氢的氢致疲劳试验装置的试样固定在疲劳试验机上。
步骤4、将罐体上的进液管、出液管分别与溶液循环泵相连，以实现充氢溶液的更新。
步骤5、通过进液管向罐体内充氢溶液：
接通电源开始充氢，并启动疲劳试验机，开始动态充氢疲劳实验。
步骤6、动态充氢疲劳试验是电化学充氢与疲劳试验同步进行的过程：
电化学充氢的过程中，试样表面一方面作为阴极，为析氢反应提供电子，一方面吸收氢；在充氢溶液中添加硫脲防止生产的氢原子复合生成氢气，以增加氢原子的吸收率，与此同时进行疲劳试验，以研究应力场与氢扩散行为的交互作用及氢对疲劳性能的影响。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的实验装置通过可拆卸的密封腔体，提供电化学充氢的液体环境，搭配疲劳试验机即可方便可靠的实现氢环境下疲劳性能的测试。
(2)本发明的实验装置通过压紧密封圈形成面密封，与密封垫圈配合形成双重密封防止液体的泄漏，保证了实验的安全可靠。
(3)本发明在罐体上设置了溶液进/出口，并与蠕动泵相连，实现了充氢溶液的便捷更换。
(4)本发明的盖体和罐体均采用高分子材料制成，其具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，不易损坏，使用寿命长，且透明度高，易于实验操作和观察。
(5)新能源的开发与推广是实现该目标的一种重要途径。氢能源作为一种新型的清洁能源受到世界各国的青睐，我国也在大力推广。而氢能源推广离不开氢能源安全可靠的生产、储存与运输，因此氢与金属材料相容性的研究必不可少。本发明的作用在于提供一种用于氢环境下进行疲劳试验的装置与方法，以研究氢与金属材料的相容性，为临氢环境下的选材提供指导意见。
附图说明
图1为本发明装置剖面示意图；
其中，1上端盖，2电极孔，3出液口，4下盖体，5螺栓，6试样，7罐体，8进液口，9紧固端盖，10密封圈，11密封垫圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施案例的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
结合图1，一种动态充氢的氢致疲劳试验装置，包括端盖1、罐体7、下盖体4和紧固端盖9，端盖1和下盖体4分别固定在罐体7的两端，端盖1为圆环状，紧固端盖9为二阶圆筒，自上而下依次为第一圆筒和第二圆筒，罐体7的侧壁上开有电极孔2、进液孔8和排液孔3，电极孔2用于放置铂电极，进液孔8和排液孔3用于更新充氢溶液；下盖体4的中心设有自上向下直径递增的二阶通孔，依次为第一通孔和第二通孔，试样6的待拉伸段位于罐体7内，试样6的上端自端盖1的中心孔伸出，试样6的下端自下盖体4的二阶通孔伸出，其中试样6与第一通孔通过螺纹固连，第二通孔内设有密封圈10，紧固端盖9的第一圆筒伸入第二通孔中压紧密封圈10，再通过螺栓5将紧固端盖9固定在下盖体4底面。
在紧固端盖9和下盖体4的交界面上加装弹性垫圈11，通过双重密封手段防止充氢溶液的泄露。
上端盖1、下盖体4和紧固端盖9均采用聚丁二烯PB材料制成，罐体7采用有机玻璃GS材料制成，其具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，不易损坏，使用寿命长，且透明度高，易于实验操作。
进液孔8的高度高于排液孔3的高度。
试样6与端盖1的中心孔间隙配合。
一种动态充氢的氢致疲劳试验装置的测试方法，步骤如下：
步骤1、安装动态充氢的氢致疲劳试验装置，并在罐体7上连接铂电极、进液管、出液管，将铂电极与直流电源阳极相连，试样6与直流电源阴极相连。
步骤2、对步骤1安装好的试验装置进行密封性测试，以保证实验过程中不会发生溶液的泄漏。
步骤3、将安装有动态充氢的氢致疲劳试验装置的试样6固定在疲劳试验机上。
步骤4、将罐体7上的进液管、出液管分别与溶液循环泵相连，以实现充氢溶液的更新。
步骤5、通过进液管向罐体7内充氢溶液：
接通电源开始充氢，并启动疲劳试验机，开始动态充氢疲劳实验。
步骤6、动态充氢疲劳试验是电化学充氢与疲劳试验同步进行的过程：
电化学充氢的过程中，试样表面一方面作为阴极，为析氢反应提供电子，一方面吸收氢；在充氢溶液中添加硫脲防止生产的氢原子复合生成氢气，以增加氢原子的吸收率，与此同时进行疲劳试验，以研究应力场与氢扩散行为的交互作用及氢对疲劳性能的影响。
实施例
以在岛津公司生产的EHF-EV液压伺服疲劳试验机对316L奥氏体不锈钢的动态充氢高周疲劳实验测试为例，其具体实施方式如下所述：
将铂电极、进/出液管分别与罐体7相连，将下盖体4与打磨抛光后的试样6通过螺纹连接固定位置，并通过螺纹将罐体7与下盖体4组装；将密封垫圈11放入下盖体4开好的密封槽内，并通过紧固端盖9压紧，螺栓5连接固定；将安装了安装动态充氢的氢致疲劳试验装置的试样6装夹在疲劳试验机上。
通过与进液管相连的溶液循环泵将充氢溶液注入罐体7，使溶液液面没过试样6的标距段。本例中充氢溶液选用含0.5mol/L硫酸和1g/L硫脲的混合溶液。
将铂电极与直流电源阳极相连，试样6与直流电源阴极相连，再按实验预设的电流密度打开直流电源。
设置疲劳实验的相关参数，开始疲劳试验。
综上所述，本发明结构设计新颖，使用方便，能够可靠的实现电化学充氢条件下的疲劳性能测试。本发明适用于各种型号的疲劳试验机。
尽管已经示出和描述了本发明的实施案例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种动态充氢的氢致疲劳试验装置，其特征在于：包括端盖(1)、罐体(7)、下盖体(4)和紧固端盖(9)，端盖(1)和下盖体(4)分别固定在罐体(7)的两端，端盖(1)为圆环状，紧固端盖(9)为二阶圆筒，自上而下依次为第一圆筒和第二圆筒，罐体(7)的侧壁上开有电极孔(2)、进液孔(8)和排液孔，电极孔(2)用于放置铂电极，进液孔(8)和排液孔用于更新充氢溶液；下盖体(4)的中心设有自上向下直径递增的二阶通孔，依次为第一通孔和第二通孔，试样(6)的待拉伸段位于罐体(7)内，试样(6)的上端自端盖(1)的中心孔伸出，试样(6)的下端自下盖体(4)的二阶通孔伸出，其中试样(6)与第一通孔通过螺纹固连，第二通孔内设有密封圈(10)，紧固端盖(9)的第一圆筒伸入第二通孔中压紧密封圈(10)，再通过螺栓(5)将紧固端盖(9)固定在下盖体(4)底面。
2.根据权利要求1所述的动态充氢的氢致疲劳试验装置，其特征在于：在紧固端盖(9)和下盖体(4)的交界面上加装弹性垫圈(11)，通过双重密封手段防止充氢溶液的泄露。
3.根据权利要求1所述的动态充氢的氢致疲劳试验装置，其特征在于：上端盖(1)、下盖体(4)和紧固端盖(9)均采用聚丁二烯PB材料制成，罐体(7)采用有机玻璃GS材料制成。
4.根据权利要求1所述的动态充氢的氢致疲劳试验装置，其特征在于：进液孔(8)的高度高于排液孔的高度。
5.根据权利要求1所述的动态充氢的氢致疲劳试验装置，其特征在于：试样(6)与端盖(1)的中心孔间隙配合。
6.一种动态充氢的氢致疲劳试验装置的测试方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、安装动态充氢的氢致疲劳试验装置，并在罐体(7)上连接铂电极、进液管、出液管；将铂电极与直流电源阳极相连，试样(6)与直流电源阴极相连；
步骤2、对步骤1安装好的试验装置进行密封性测试，以保证实验过程中不会发生溶液的泄漏；
步骤3、将安装有动态充氢的氢致疲劳试验装置的试样(6)固定在疲劳试验机上；
步骤4、将罐体(7)上的进液管、出液管分别与溶液循环泵相连，以实现充氢溶液的更新；
步骤5、通过进液管向罐体(7)内充氢溶液：
接通电源开始充氢，并启动疲劳试验机，开始动态充氢疲劳实验；
步骤6、动态充氢疲劳试验是电化学充氢与疲劳试验同步进行的过程：
电化学充氢的过程中，试样表面一方面作为阴极，为析氢反应提供电子，一方面吸收氢；在充氢溶液中添加硫脲防止生产的氢原子复合生成氢气，以增加氢原子的吸收率，与此同时进行疲劳试验，以研究应力场与氢扩散行为的交互作用及氢对疲劳性能的影响。
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| CN117110106A (zh) * | 2023-10-23 | 2023-11-24 | 中铝材料应用研究院有限公司 | 测试铝合金材料在模拟高压氢环境下的疲劳性能的方法 |
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| CN117110106B (zh) * | 2023-10-23 | 2023-12-19 | 中铝材料应用研究院有限公司 | 测试铝合金材料在模拟高压氢环境下的疲劳性能的方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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