CN208888190U - 一种金属材料超声波动态氢脆性能试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，其特征在于，主要包括测试单元、氢气注入组件和氢气抽排组件，所述测试单元包括依次连接的计算机系统、能量发生器、换能器、变幅杆，变幅杆的端头伸入压力罐后与试样连接，试样内置于压力罐；所述压力罐通过橡皮密封保护层与变幅杆耦合；所述氢气注入组件和氢气抽排组件均分别于压力罐的内部连通；所述压力罐设置有压力监控仪表A。本实用新型的有益效果为：本实用新型通过采用超声波动态氢脆的检测方式，将检测效率提高了数百倍，可以在短时间内对金属材料的抗氢脆性能进行评价。
Description
技术领域
本实用新型涉及物理性能测试及试验机领域，具体涉及一种测定金属材料在各种压力条件下的超声动态抗氢脆性能试验装置。
背景技术
在现代工程的各个方面，如车辆、轮船、飞机、铁路、桥梁等日常交通工具和基建设施，其主要零件和构件大多都是长期工作于循环变化的载荷作用下，因而，疲劳成为了其主要的失效形式。随着工业技术的不断发展，各种零部件在服役期内，承受重复载荷的次数高达10 9～1011次，因此，材料的高周(超高周)疲劳研究成为了一种疲劳研究的发展趋势。而金属材料在氢气环境中承受循环载荷作用，更容易发生氢脆断裂的现象。由于氢脆断裂具有延迟性和突发性，难以通过正常检查程序发现合金构件是否会发生氢脆断裂，氢脆断裂带来的危害要比其他断裂造成的危害大得多。因而，金属材料的氢脆断裂成为了一个困扰大家的不可忽视的问题，研究材料在各种氢气压力状态下，抗氢脆延迟断裂性能也成为金属材料疲劳寿命的一个需要解决的问题。
超声波动态氢脆试验技术采用共振原理，压电陶瓷换能器将超声发生器产生的20kHz的电信号转换成相同频率的机械振动，再通过这种方式进行材料的超高周疲劳性能试验。超声波动态氢脆试验技术以其频率高、加载稳定，试验时间远低于传统的试验时间的特点，成为了材料的超高周疲劳性能的主要研究方式。
随着近年高强钢的开发与推广，其氢脆导致的开裂问题受到了全球高度关注。目前国内外常见的评测金属材料氢脆的方法主要为静态法。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。对于金属材料在动态条件下的氢脆行为，缺乏有效可靠的评价手段和技术；并且金属材料往往是在动态载荷条件下服役，而目前测试抗氢脆性能的试验中，一般单个试样的测试时间多在200小时以上，致使整个试样测试的时间历程较长，试验的效率较低。因而，现在急需一种模拟材料实际使用过程中的氢脆行为的检验装置。
发明内容
本实用新型的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种试验周期短、模拟状态可调的金属材料超声波动态氢脆性能试验装置。
本实用新型采用的技术方案为：一种金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，主要包括测试单元、氢气注入组件和氢气抽排组件，所述测试单元包括依次连接的计算机系统、能量发生器、换能器、变幅杆，变幅杆的端头伸入压力罐后与试样连接，试样内置于压力罐；所述压力罐通过橡皮密封保护层与变幅杆耦合；所述氢气注入组件和氢气抽排组件均分别于压力罐的内部连通；所述压力罐设置有压力监控仪表A。
按上述方案，所述氢气注入组件包括氢气压力泵和进气管道，氢气压力泵的入口与氢气源连通，氢气压力泵的出口通过进气管道与压力罐的气体入口连通。
按上述方案，所述压力罐的气体入口设于压力罐的顶部。
按上述方案，所述氢气抽排组件包括氢气抽排装置和排气管道，所述氢气抽排装置的入口通过排气管道与压力罐的排气口连通。
按上述方案，所述排气管道上设置有压力监控仪表B。
按上述方案，所述换能器为压电陶瓷换能器。
按上述方案，所述试样的上端与变幅杆的下端螺纹连接。
本实用新型的有益效果为：
1、本实用新型通过采用超声波动态氢脆的检测方式，将检测效率提高了数百倍，可以在短时间内对金属材料的抗氢脆性能进行评价；
2本实用新型充氢压力可调，通过模拟不同状态下氢介入的程度，可测定其对高强钢性能所产生的影响；
3本实用新型采用双层橡皮密封保护层设计，有效防止了氢气泄露时与氧气混合发生爆炸，提高了整个装置的稳定性，保障了工作人员的人身安全；
4本实用新型中，当压力罐内注入氢气，内部压力增加时，压力罐内部压强使橡皮密封保护层与连接有被测材料试样的变幅杆贴合得更加紧密，因此，使压力罐和材料疲劳测试系统密封得更加严，且不影响试验装置的共振；
5本实用新型结构设计合理，试验结果准确。
附图说明
图1为本实用新型一个具体实施例的结构示意图。
其中：1、计算机系统；2、能量发生器；3、换能器；4、变幅杆；5、橡皮密封保护层； 6、氢气压力泵；7、压力监控仪表A；8、压力罐；9、压力监控仪表B；10、氢气抽排装置；11、试样；12、进气管道；13、排气管道。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步地描述。
如图1所示的一种金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，主要包括测试单元、氢气注入组件和氢气抽排组件，所述测试单元包括依次连接的计算机系统1、能量发生器2、换能器3、变幅杆4，变幅杆4的端头伸入压力罐8后与试样11连接，试样11内置于压力罐8；所述压力罐8通过橡皮密封保护层5与变幅杆4耦合；所述氢气注入组件和氢气抽排组件均分别于压力罐8的内部连通；所述压力罐8设置有压力监控仪表A7,压力监控仪表A7用于监测并显示压力罐8内部的压强。
本实用新型中，所述氢气注入组件包括氢气压力泵6和进气管道12，氢气压力泵6的入口与氢气源连通，氢气压力泵6的出口通过进气管道12与压力罐8的气体入口连通。优选地，压力罐8的气体入口设于压力罐8的顶部。
本实用新型中，所述氢气抽排组件包括氢气抽排装置10和排气管道13，所述氢气抽排装置10的入口通过排气管道13与压力罐8的排气口连通。优选地，所述排气管道10上设置有压力监控仪表B9；氢气抽排装置10通过压力监控仪表B9显示压力罐8内部排出的氢气量。
优选地，所述换能器3为压电陶瓷换能器。所述试样11的上端与变幅杆4的下端螺纹连接。
本实用新型采用共振效应，试样11的一端自由并置于压力罐内，氢气压力泵3给压力罐 8内施加试验所需的压强，使试样11在各种压力下进行高频振动，从而确定试样11所用材料在各种压力的状态下的超声动态抗氢脆性能。
本实用新型的具体工作过程为：计算机系统1控制能量发生器2产生的电信号作用于换能器3，夹持有被测材料试样11的变幅杆4与换能器3连接，将换能器3的机械振动传递至试样11；压力罐8外接一个氢气压力泵6和氢气抽排装置10，两者共同调节压力罐8内的氢气压力，达到试验要求的压强，再开展在超声波动态下，金属材料在各种压力状态下的抗氢脆性能测试工作。
以下对本实用新型的安装及试验过程进行详细说明。
1、试样11加工：棒状试样11，要求中间平行工作部分长度小于8倍的直径，从试样11 平行工作部分到夹持端的过渡弧半径大于两倍的直径或厚度，试样11夹持端的直径大于两倍平行工作部分的直径或厚度，试样11的平行度、同轴度、垂直度要小于试样11工作段直径的5‰。试样11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。
2、安装变幅杆4：将变幅杆4与换能器3连接，使计算机系统1将控制能量发生器2产生的电信号作用于换能器3，带动变幅杆4做机械振动。
3、安装试样11：将试样11的一端通过螺纹连接变幅杆4，试样4和试验机整体保持一定的刚度和自振频率，这样才能在位移放大器的激励下发生谐振；试样11的另一端处于自由状态。
4、介质注入：关闭氢气抽排装置10，打开氢气压力泵6，介质由氢气源进入氢气压力泵 6，而后进入压力罐8。
5、波形及频率选取：控制参量应力的波形在整个试验过程中要保持不变，一般采用正弦波；换能器3将能量发生器2产生的电信号转换成相同频率的机械振动，即试验频率在20k Hz。
6、动态氢脆升降法试验：采用升降法从“单点试验法”出发，在一组试验内，保持应力比和平均应力不变，压力罐8通过橡皮密封保护层5与变幅杆4耦合，氢气注入组件通过压力监控仪表A7显示压力罐8内部的压强，氢气抽排组件通过压力监控仪表B9显示压力罐8内部排出的氢气量，计算机系统通过计算输入和输出之间关系进行应力闭环反馈控制：逐渐降低冲氢压力I，直到有一根试样11在达到指定寿命时没有破坏(越出)，则下一根试样11就在高一级的冲氢压力水平下进行。依此类推，凡前一根试样11不到指定寿命就破坏的，随后的一次试验就在低一级冲氢压力水平下进行；凡前一根试样11越出的，则后一根试样11就在更高一级冲氢压力下进行，直到完成全部试验为止。试验结束后，关停冲氢压力；打开氢气抽排装置10，将压力罐8内的氢气排出，取出试样。重复上面的步骤开始下一个试验，直到完成所有试验。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，其特征在于，主要包括测试单元、氢气注入组件和氢气抽排组件，所述测试单元包括依次连接的计算机系统、能量发生器、换能器、变幅杆，变幅杆的端头伸入压力罐后与试样连接，试样内置于压力罐；所述压力罐通过橡皮密封保护层与变幅杆耦合；所述氢气注入组件和氢气抽排组件均分别于压力罐的内部连通；所述压力罐设置有压力监控仪表A。
2.如权利要求1所述的金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，其特征在于，所述氢气注入组件包括氢气压力泵和进气管道，氢气压力泵的入口与氢气源连通，氢气压力泵的出口通过进气管道与压力罐的气体入口连通。
3.如权利要求2所述的金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，其特征在于，所述压力罐的气体入口设于压力罐的顶部。
4.如权利要求1所述的金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，其特征在于，所述氢气抽排组件包括氢气抽排装置和排气管道，所述氢气抽排装置的入口通过排气管道与压力罐的排气口连通。
5.如权利要求4所述的金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，其特征在于，所述排气管道上设置有压力监控仪表B。
6.如权利要求1所述的金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，其特征在于，所述换能器为压电陶瓷换能器。
7.如权利要求1所述的金属材料超声波动态氢脆性能试验装置，其特征在于，所述试样的上端与变幅杆的下端螺纹连接。
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