CN209878483U - 动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动态拉伸‑弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置，包括弯曲载荷加载装置、电化学组及拉压载荷加载装置；拉压载荷加载装置包括L支架、拉伸油缸、安装在介质容器侧板外表面的密封环及左端依次穿过密封环和介质容器侧板直至左端伸入介质容器内的拉伸连接杆，拉伸连接杆的右端与拉伸油缸的拉伸活塞杆相连。能对材料实施加载拉伸—弯曲复合的动态交变载荷，与材料在实际服役环境承受的复合交变载荷更加贴近，能更真实的评价材料在实际使用过程中的抗氢脆性能；建立了弯曲动态载荷、拉压动态载荷、循环寿命在内的多维度的金属材料抗氢脆性能的评价体系，能更真实的反映材料在动态交变复合载荷下的氢脆性能。

Description

动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置

技术领域

本实用新型属于高强钢材料抗氢脆性能评价处理领域，具体涉及一种动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置。

背景技术

近年来，随着汽车工业的快速发展，超高强汽车用钢的应用也愈加广泛。如热成形钢很好的解决了冲压成形回弹的问题，因此热成形钢在汽车领域应用潜力巨大，但该技术同时存在冷弯性能不足和氢脆敏感性高的缺点。延迟断裂现象是高强度材料—环境—应力相互作用而发生的氢致开裂的一种现象。有研究表明，材料强度越高，氢脆敏感性越大。钢的耐延迟断裂与三个因素有关：材料、应力状态和钢中的氢含量。氢的来源分内氢(酸洗、电镀等制造过程中浸入钢中的氢)和外氢(使用过程中外部环境浸入的氢)。

高强钢的延迟断裂受许多因素的影响，目前尚无通用的评价标准。延迟断裂的试验方法理想的情况是使用实物零件在实际使用环境中进行试验，但试验周期很长，难以实现。因此现实中往往采用加速型实验来进行相对评价，大体可分为恒载荷和恒应变试验、低应变速率试验、断裂力学试验。

现今几乎所有的评价钢抗氢脆性能的方法(恒载荷和恒应变试验、低应变速率试验、断裂力学试验)均是对试样施以恒定的载荷或应变，属于静载试验；或者加载单一的动态载荷(弯曲、拉伸、扭转)。而材料在使用过程中处在交变复合动载环境中，经常受到动态拉压—弯曲、扭转—弯曲、拉压—扭转或者拉压—弯曲—扭转等复合载荷。以汽车用高强钢为例，底盘、大梁、车桥等众多结构件，在汽车行进过程中，由于颠簸会受到垂直于地面的动态弯曲载荷，而制动和加速过程则会受到平行于地面的动态拉压载荷，在转向、上下坡、冲撞过程中还受到较复杂的复合载荷作用。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。

如图1所示，半挂车车架在车辆启动、制动时承受牵引车的启动牵引力和制动力，车架纵梁在此过程中受到交变的拉压载荷。而在运输作业时，车架必然承受货物的重力，在车辆颠簸时，承受交变的弯曲载荷。综合来看，半挂车车架不断承受动态的拉压—弯曲复合载荷。然而，现有的试验方法仅仅考虑到静载荷、准静态载荷或单一动态载荷的情况，试验方法与实际情况不符，无法真实客观的评价材料的抗氢脆性能。

鉴于现有的试验与零件实际的动载服役环境差别较大，因此需设计一种装置及用来模拟实际的动态交变复合载荷环境来测试金属材料的抗氢脆性能。

发明内容

本实用新型的目的就是针对上述技术的不足，提供一种动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置，该装置能够模拟试样在承受动态拉伸—弯曲交变复合载荷条件下试样的氢脆延迟断裂敏感性，试验环境更加接近材料真实的使用状况，更好的反映试样的抗氢脆性能。

为实现上述目的，本实用新型所设计的动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置，包括弯曲载荷加载装置及电化学组；所述电化学组包括介质容器、介质溶液、参比电极、辅助电极和恒电位仪，所述参比电极和所述辅助电极均设置在位于所述介质容器内的介质溶液中，所述参比电极和所述辅助电极均与所述恒电位仪相连；所述弯曲载荷加载装置包括底板、对称布置在所述底板上的左下支座和右下支座、设置在所述左下支座顶端的左上压块、设置在所述右下支座顶端的右上压块、一端与弯曲油缸活塞杆连接的连接杆、套置在所述连接杆下部的上夹头、固定在所述连接杆底端且与上夹头正对应的下夹头及套置在连接杆上部的导向块，其中，所述左下支座的顶端面上和所述右下支座的顶端面上均留有供试样安装的卡槽，且所述连接杆的中心线位于所述左下支座和所述右下支座之间的中心位置处；还包括拉压载荷加载装置；

所述拉压载荷加载装置包括安装在所述介质容器上的L支架、安装在所述L支架上的拉伸油缸、安装在所述介质容器侧板外表面的密封环及左端依次穿过所述密封环和所述介质容器侧板直至左端伸入所述介质容器内的拉伸连接杆，所述拉伸连接杆的右端与拉伸油缸的拉伸活塞杆相连；所述拉伸连接杆通过拉伸连接销与试样的右端孔进行连接，固定定位销穿过试样左端孔并插入所述左下支座的安装孔中，且所述左上压块在与所述固定定位销接触部位处开有预留安装孔。

进一步地，所述固定定位销上端面与所述左上压块的预留定位孔底面留有间隙。

进一步地，所述密封环内壁与所述拉伸连接杆为过盈配合，所述密封环内开有用于安装密封圈的密封槽。

进一步地，所述拉伸连接杆与所述拉伸活塞杆连接处做绝缘处理。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：本实用新型的装置能对材料实施加载拉伸—弯曲复合的动态交变载荷，与材料在实际服役环境承受的复合交变载荷更加贴近，能更真实的评价材料在实际使用过程中的抗氢脆性能；氢含量恒定，采用电化学的方法能确保充入钢中的氢含量恒定，相同的试验条件，能客观、直接、准确的表征出材料抗氢脆延迟断裂性能的优劣；建立了涵盖冲氢电流、弯曲动态载荷、拉压动态载荷、循环寿命在内的多维度的金属材料抗氢脆性能的评价体系，能更真实的反映材料在动态交变复合载荷下的氢脆性能。

附图说明

图1为半挂车受力示意图；

图2为本实用新型动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置结构示意图；

图3为图2的内部结构示意图；

图4为图2的主视示意图；

图5为实施例中I_m层级充氢电流下拉伸力—弯曲力与寿命关系示意图。

图中各部件标号如下：介质容器1、介质溶液2、参比电极3、辅助电极4、恒电位仪5、底板6、右下支座7、左下支座8、右上压块9、左上压块11、上夹头10、下夹头12、连接杆13、导向块14、弯曲油缸15、试样16、L支架17、拉伸油缸18、密封环19、拉伸连接销20、固定定位销21、密封圈22、拉伸连接杆23、拉伸活塞杆24、间隙25。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型的动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置，包括弯曲载荷加载装置、拉压载荷加载装置及电化学组。该装置从氢定量化角度考虑，采用电化学充氢的方法(恒定的充氢电流密度，确保充入钢中的氢含量恒定)。在充氢的同时对试样施加动态拉伸-弯曲复合载荷，根据试验时间对材料的抗氢脆延迟断裂性能进行评价。

如图2、3所示，电化学组包括介质容器1、介质溶液2、参比电极3、辅助电极4和恒电位仪5，参比电极3和辅助电极4均设置在位于介质容器1内的介质溶液2中，参比电极3和辅助电极4均与恒电位仪5相连；本实施例中，介质溶液可采用0.5mol/LNaOH水溶液，介质容器1采用绝缘耐腐蚀材料制作。试验时将试样浸泡在介质溶液中，采用恒定的充氢电流密度，给试样充入恒定的氢含量。

再次如图2、3所示，弯曲载荷加载装置包括底板6、对称布置在底板6上的左下支座8和右下支座7、设置在左下支座8顶端的左上压块11、设置在右下支座7顶端的右上压块9、一端与弯曲油缸15活塞杆连接的连接杆13、套置在连接杆13下部的上夹头10、固定在连接杆13底端且与上夹头10正对应的下夹头12及套置在连接杆13上部的导向块14，其中，左下支座8的顶端面上和右下支座7 的顶端面上均留有供试样安装的卡槽，且连接杆的中心线位于左下支座8和右下支座7之间的中心位置处。本实施例中，左下支座8 和右下支座7均内置在介质容器1里。

左下支座8和右下支座7采用绝缘材料制作，试样左端放置在左下支座8的卡槽内、右端放置在右下支座7的卡槽内，左上压块 11下表面压住试样左端的上表面，右上压块9下表面压住试样右端的上表面，并用螺栓分别将左下支座8和左上压块11、右下支座7 和右上压块9连接固定，从而将试样卡住固定；上夹头10作用在试样的上表面，下夹头12作用在试样的下表面，用于传递动力单元所施加的弯曲载荷，上夹头10和下夹头12采用紧固螺栓安装在连接杆13上，上夹头10与下夹头12之间的间距可根据试样厚度进行调整。本实施例中，连接杆13为下方上圆的形状，下部为方形用于安装上夹头10与下夹头12，上部为圆形用于导向且导向块14套置在上部为圆形的连接杆13处，同时，导向块14固定在立板上且保证导向块14中心线处于竖直状态，连接杆13穿过导向块14后确保了连接杆13中心线也处于竖直状态，这样施加在试样16上力垂直于试样表面。另外，连接杆13与弯曲油缸15活塞杆连接处做绝缘处理(连接杆与活塞杆及销轴间加装绝缘电木板及电木套)，弯曲油缸 15与液压系统相连，由液压控制系统控制弯曲油缸15施加的压力及换向周期，给试样16施加向下和向上交替往复的弯曲载荷。

结合图2、4所示，拉压载荷加载装置包括L支架17、安装在L 支架17上的拉伸油缸18、安装在介质容器1侧板外表面的密封环 19及左端依次穿过密封环19和介质容器1侧板直至左端伸入介质容器1内的拉伸连接杆23。其中，L支架17的竖板侧面固定在介质容器1的侧板外表面上，竖板底面固定在底板6；拉伸连接杆23的右端与拉伸油缸18的拉伸活塞杆24相连，这样通过拉伸活塞杆24、拉伸连接杆23及拉伸连接销20能将拉压载荷加载装置的拉伸或压缩力传递给试样；同时拉伸连接杆23与拉伸活塞杆24连接处做绝缘处理(拉伸连接杆与拉伸活塞杆间加装绝缘电木板及电木套)，还保证了试样与外界绝缘；密封环19内壁与拉伸连接杆23为过盈配合，密封环19内开有用于安装密封圈22的密封槽，保证了拉伸连接杆23与密封环19之间接触部位不会渗漏介质溶液。

本实施例中，试样16为两端均为带孔的板状试样，左端孔用于固定定位，右端孔用于连接传力。当拉伸连接杆23通过拉伸连接销 20与试样16的右端孔进行连接，使得拉伸连接杆23与试样16连接在一起；固定定位销21穿过试样16左端孔并插入左下支座8的安装孔中，左上压块11在与固定定位销21接触部位处开有预留安装孔，即左上压块11通过螺栓固定在左下支座8上时，固定定位销21 的上部亦插入左上压块11的预留定位孔中，这样通过固定定位销21 将试样16沿试样长度方向牢牢固定无法窜动。同时设计固定定位销 21上端面与左上压块11的预留定位孔底面留有间隙25，从而保证了固定定位销21不会影响左上压块11对试样16的左端在厚度方向上的固定，在宽度方向上由左下支座8限制试样沿宽度方向上的自由度。这样一来就限制了试样16左端部沿三个方向的平动和转动的六个自由度，使得试样16的左端完全固定；同时，右下支座7与右上压块9分别与试样16的上下表面接触，保证试样16右端在厚度方向上自由度得以限制。拉伸油缸18与液压系统相连，由液压控制系统控制拉伸油缸18施加的压力及换向周期，给试样16施加交替往复的拉压载荷。

实际试验时，试样通过导线与恒电位仪相连。

本实用新型的装置能对材料实施加载拉伸—弯曲复合的动态交变载荷，与材料在实际服役环境承受的复合交变载荷更加贴近，能更真实的评价材料在实际使用过程中的抗氢脆性能；氢含量恒定，采用电化学的方法能确保充入钢中的氢含量恒定，相同的试验条件，能客观、直接、准确的表征出材料抗氢脆延迟断裂性能的优劣；建立了涵盖冲氢电流、弯曲动态载荷、拉压动态载荷、循环寿命在内的多维度的金属材料抗氢脆性能的评价体系，能更真实的反映材料在动态交变复合载荷下的氢脆性能。

本实用新型装置的具体实施过程如下：

1)试样制作

制作板状试样，要求中间平行工作部分长度大于两倍的厚度，从试样平行工作部分到夹持端的过渡弧半径大于两倍的厚度，夹持端的宽度与右下支座7、左下支座8卡槽宽度略小，试样长度不得小于右下支座7、左下支座8外侧立面间的距离。试样两端孔尺寸满足与销轴配合的公差要求。试样的平行度、同轴度、垂直度要小于试样工作段厚度的5‰。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)试样装夹

将加工好的试样16放置在右下支座7、左下支座8卡槽内，试样16左端孔与左下支座8孔基本对齐。将固定定位销21穿过试样 16左端孔并插入左下支座8的安装孔中，再将左上压块11定位孔与固定定位销21对齐并插入，并用螺栓将左上压块11连接固定在左下支座8的螺纹孔内，拧紧螺栓，并保证左上压块11下表面与试样 16上表面紧密接触。用螺栓将右上压块9连接固定在右下支座7的螺纹孔内，拧紧螺栓，并保证右上压块9下表面与试样16上表面紧密接触，完成试样装夹。

右下支座7、左下支座8穿过介质容器1后安装在底板6上，右下支座7、左下支座8由绝缘材料制作，其保障在冲氢通电状态下，试样与下部基座底板6隔离，右下支座7、左下支座8与介质容器1 间采用耐蚀性密封材料密封。

3)安装弯曲载荷加载装置

连接杆13穿过导向块14连接到弯曲油缸15活塞杆上，导向块 14安装在立板上且保证导向块14中心线处于竖直状态，连接杆13 穿过导向块14后确保了连接杆13中心线也处于竖直状态，这样施加在试样16上力垂直于试样表面。连接杆13与弯曲油缸15活塞杆孔采用销轴连接，且连接处做绝缘处理(连接杆13与活塞杆及销轴间加装绝缘电木板及电木套)，导向块14由绝缘材料制作。这样连接杆13两处与外界接触部位均作绝缘处理，确保在冲氢通电状态下，系统与外界隔离。弯曲油缸15与液压系统相连，液压力由活塞杆传递给连接杆，再由连接杆上的上下夹头施加给试样，给试样16施加向下和向上交替往复的弯曲载荷。由液压控制系统控制弯曲油缸15 施加的压力及换向周期。

调节上夹头10、下夹头12位置，使之分别与试样16上下表面紧紧接触，并用螺栓将上夹头10、下夹头12固定在连接杆13上。

4)安装拉压载荷加载装置

拉伸连接杆23通过拉伸连接销20与试样16的右端孔进行连接，拉伸连接杆23右端与拉伸活塞杆24连接，这样通过拉伸活塞杆24、拉伸连接杆23及拉伸连接销20能将拉伸动力单元的拉伸或压缩力传递给试样。同时拉伸连接杆23与拉伸活塞杆24连接处做绝缘处理(拉伸连接杆与拉伸活塞杆间加装绝缘电木板及电木套)，这样确保在冲氢通电状态下，系统与外界隔离。

5)安装电极

将参比电极3和辅助电极4插入介质容器1中，并将工作电极连接导线连接到试样16上，均通过导线连接与恒电位仪5上。

6)介质溶液注入

在介质容器1中注入介质溶液2，使液面高于试样上表面，介质溶液2可选用0.1mol/LNaOH水溶液。

7)电流设定

电化学工作站设定恒定的电流密度(1mA/cm²～10mA/cm²)。

8)液压系统设定

载荷大小设定：油缸压力采用液压伺服系统控制，由伺服系统闭环控制油缸施加给试样载荷大小，确保载荷的稳定性。

载荷频率设定：在液压系统的PLC控制系统中设定换向阀换向频率，即可控制施加在试样上交变弯曲载荷和拉压载荷的频率，即试验频率。可设定在0.5HZ～2Hz之间。

9)试验实施：采用恒定的充氢电流密度，给试样充入氢含量。

同时液压系统启动：

①给弯曲油缸15输送压力油液，弯曲油缸15产生的力通过连接杆13及上夹头10、下夹头12施加给试样16，试样由于两端固定中间受力，试样整体受到弯曲应力。由于弯曲油缸15换向动作，可以往复给试样上表面、下表面分别施加载荷，使得试样往复受到向下的弯曲载荷和向上的弯曲载荷，试样受到动态交变弯曲载荷的作用。

②给拉伸油缸18输送压力油液，拉伸油缸18产生的力通过拉伸连接杆23及拉伸连接销20施加给试样16，试样的左端部由于固定定位销21的作用，而被完全约束，故此时试样在拉伸油缸的作用下承受沿试样长度方向上的动态拉伸、压缩交变载荷。

记录试验过程中的施加载荷的循环次数(通过PLC控制系统记录)，试验直到试样断裂或达到10⁶次不断裂。

10)试验结束后，关停冲氢电流。排出溶液介质，松开夹具，取出试样。然后重复上面的步骤开始下一个试验。对于在动态拉伸- 弯曲复合载荷下材料氢脆性能评价，要求至少完成3个充氢电流层级试验，每个电流层级至少完成3个层级以上弯矩载荷和3个层级以上拉压载荷的组合载荷加载，每个组合载荷加载至少完成3件试样。因此，总试样数至少为3*3*3*3＝81件。直到完成所有试验。

11)材料性能评价：假设试验中有3个冲氢电流层级，4个弯矩控制层级，4个拉伸控制层级，每个层级试验3个试样。4个弯矩层级的应变控制目标值分别为M₁、M₂、M₃、M₄，4不同拉伸层级分别为F₁、F₂、F₃、F₃。对应寿命数据关系列表1如下。

表1

然后对(M_i，N_ijk)以及(F_j，N_ijk)取对数后，分别进行最小二乘法拟合。结果如图5所示，即I_m层级充氢电流下拉伸力—弯曲力与寿命关系的三维曲面图(图中F4>F3>F2>F1、M4>M3>M2>M1、 N5>N4>N3>N2>N1)。此图为评价材料在动态拉伸-弯曲符合载荷下抗氢脆性能的重要依据。

Claims (4)

1.一种动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置，包括弯曲载荷加载装置及电化学组；所述电化学组包括介质容器(1)、介质溶液(2)、参比电极(3)、辅助电极(4)和恒电位仪(5)，所述参比电极(3)和所述辅助电极(4)均设置在位于所述介质容器(1)内的介质溶液(2)中，所述参比电极(3)和所述辅助电极(4)均与所述恒电位仪(5)相连；所述弯曲载荷加载装置包括底板(6)、对称布置在所述底板(6)上的左下支座(8)和右下支座(7)、设置在所述左下支座(8)顶端的左上压块(11)、设置在所述右下支座(7)顶端的右上压块(9)、一端与弯曲油缸(15)活塞杆连接的连接杆(13)、套置在所述连接杆(13)下部的上夹头(10)、固定在所述连接杆(13)底端且与上夹头(10)正对应的下夹头(12)及套置在连接杆(13)上部的导向块(14)，其中，所述左下支座(8)的顶端面上和所述右下支座(7)的顶端面上均留有供试样安装的卡槽，且所述连接杆的中心线位于所述左下支座(8)和所述右下支座(7)之间的中心位置处；其特征在于：还包括拉压载荷加载装置；

所述拉压载荷加载装置包括安装在所述介质容器(1)上的L支架(17)、安装在所述L支架(17)上的拉伸油缸(18)、安装在所述介质容器(1)侧板外表面的密封环(19)及左端依次穿过所述密封环(19)和所述介质容器(1)侧板直至左端伸入所述介质容器(1)内的拉伸连接杆(23)，所述拉伸连接杆(23)的右端与拉伸油缸(18)的拉伸活塞杆(24)相连；所述拉伸连接杆(23)通过拉伸连接销(20)与试样(16)的右端孔进行连接，固定定位销(21)穿过试样(16)左端孔并插入所述左下支座(8)的安装孔中，且所述左上压块(11)在与所述固定定位销(21)接触部位处开有预留安装孔。

2.根据权利要求1所述动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置，其特征在于：所述固定定位销(21)上端面与所述左上压块(11)的预留定位孔底面留有间隙(25)。

3.根据权利要求1所述动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置，其特征在于：所述密封环(19)内壁与所述拉伸连接杆(23)为过盈配合，所述密封环(19)内开有用于安装密封圈(22)的密封槽。

4.根据权利要求1所述动态拉伸-弯曲复合载荷下检测金属材料抗氢脆性能的装置，其特征在于：所述拉伸连接杆(23)与所述拉伸活塞杆(24)连接处做绝缘处理。