获得静载梯度拉应力下扩散氢动态分布的装置及方法

摘要

获得静载梯度拉应力下扩散氢动态分布的装置及方法，它涉及一种获得金属在静载梯度拉应力场中扩散氢分布的装置及方法。为解决目前缺乏简单直观研究拉应力与扩散氢分布情况的装置及方法的问题。装置方案：每个加载块的上端面和下端面上均开有第一槽和第二槽，第一槽和第二槽均为长方形凹槽，第一槽的长度大于第二槽的长度，第一槽与第二槽沿宽度方向贯通，加载螺栓穿过加载块且与加载块螺纹连接；方法方案：试样处理及加载，应力测量，电化学充氢，扩散氢收集。本发明用于研究金属在静态梯度拉应力条件下，进行电化学充氢以后，扩散氢在应力场中的动态分布行为。

说明书

技术领域

本发明涉及一种获得金属在静载梯度拉应力场中扩散氢分布的装置及方法。

背景技术

在恒载荷(或恒位移)条件下，原子氢通过应力诱导扩散富集到临界值后就引起氢致裂 纹的形核、扩展从而导致低应力(甚至远低于屈服应力)下的滞后(要经过一定时间)断裂现 象称为氢致滞后断裂。这种低应力下的氢致滞后断裂往往造成灾难性的断裂事故。本质上， 氢的扩散过程与其在钢中的化学势密切相关，在化学势能差(即化学梯度)的驱动下，氢将 从化学势高的地方向化学势低的地方扩散，直至达到平衡。当金属中存在正应力时它就能 和H的应变场发生交互作用，这个相互作用使得氢的化学位下降，导致氢向该处富集。正 应力不同的地方，交互作用不同，氢的化学位降低量就不同，因此氢易于向拉应力较大处 扩散，即应力使氢发生上坡扩散。三向拉应力(静水应力)处氢浓度高于平均氢浓度，而压 应力处的氢浓度则低于平均氢浓度。通过应力诱导扩散，氢将向高应力区富集，经足够长 的时间后，氢浓度分布将达到稳定值，当材料中的氢含量很低，不足以产生不可逆氢损伤 时，在拉伸过程中仍可通过应力诱导氢的扩散富集，从而在低的外应力下裂纹(或孔洞) 就形核扩展，导致塑性和韧性的下降从而影响其服役安全性。毋庸置疑，材料氢致滞后断 裂行为在很大程度上取决于拉应力与扩散氢的交互作用，目前关于应力诱导氢扩散理论的 研究，仍缺乏简单直观的研究方法，因此，有必要获得金属在静载拉伸条件下，扩散氢在 应力场中的动态分布，为应力诱导氢扩散理论获得和材料氢致滞后断裂机制提供先进的获 得手段，同时还能够为分析裂纹扩展机制提供依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种获得静载梯度拉应力下扩散氢动态分布的装置及方法，以解 决目前缺乏简单直观获得拉应力与扩散氢分布情况的装置及方法的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：装置方案：所述装置包括加载螺栓和 两个加载块，每个加载块的上端面和下端面上均开有第一槽和第二槽，第一槽和第二槽均 为长方形凹槽，第一槽的长度大于第二槽的长度，第一槽与第二槽沿宽度方向贯通，加载 螺栓穿过加载块且与加载块螺纹连接。

方法方案：所述方法基于这样的试件完成，试样由第一金属体、第二金属体和第三金 属体构成，第一金属体和第三金属体的横截面为T字形，第二金属体的横截面为等腰梯形， 第一金属体的竖直段与第二金属体的下底面连接制成一体，第二金属体的上底面与第三金 属体的竖直段制成一体，所述方法包括如下步骤：步骤一、试样处理及加载：将待充氢试 样按金相试样要求进行处理，保留充氢面，其余面有硅胶密封，将两个试样装入相对应的 第一槽和第二槽，旋进加载螺栓对试样进行加载，根据需加应力的大小确定加载螺栓的前 进的距离；

步骤二、应力测量：在将待充氢试样的第三金属体的竖直段贴上应变片，通过静态应 变测量仪测量竖直段的应变，并计算出该部位应力分布，然后通过Marc有限元软件计算 出试样的第二金属体的应力分布；

步骤三、电化学充氢：首先，取硫酸和蒸馏水配制0.5-2mol/L的硫酸水溶液，将配 制好的硫酸水溶液倒入电解池中；然后，使用铂电极作为阳极，待充氢试样作为阴极，阳 极和阴极分别连接直流电源对应的正负电极，接通直流电源，并将待充氢试样放入装有电 解液的电解池中；最后，根据加载试样表面积的大小及钢种种类，调整充氢电流强度至 10-100mA/cm²，对加载试样进行充氢，充氢时间为1-36小时；

步骤四、扩散氢收集：加载试样充氢完毕，用4％硝酸酒精溶液浸蚀抛光表面，在抛 光的试样表面涂一层甘油作为氢气泡的收集液，加盖玻片；把试样放置到电子显微镜下在 室温下观察拍照，当最大气泡直径接近膜厚的85％-90％时拍照记录并更换甘油，试样观察 拍照直至逸出氢不再变化为止。

本发明具有以下有益效果：本发明是获得金属在静载梯度拉应力条件下，进行电化学 充氢以后，扩散氢在应力场中的动态分布行为的装置及方法。可通过调整金属试样形状实 现在一定范围内改变梯度拉应力场大小及其梯度的目的，从而改变氢扩散的条件，为应力 诱导氢扩散理论获得和材料氢致滞后断裂机制提供先进的获得手段。

本发明可以获得受静载拉伸梯度应力的金属材料在进行电化学充氢以后，扩散氢在应 力场中的动态分布行为，还可实现对拉应力大小、梯度以及电化学充氢工艺的控制，弥补 了现有电化学充氢方法不能获得梯度拉应力对扩散氢动态分布行为影响的缺陷。通过调整 金属试样形状实现在一定范围内改变拉应力场大小及其梯度，从而改变氢扩散的条件，为 应力诱导氢扩散理论获得和材料氢致滞后断裂机制提供先进的获得手段。目前静载梯度拉 应力对扩散氢动态分布行为的影响，目前尚没有合理评价的装置和方法。

附图说明

图1是本发明所述装置结构示意图，图2是试样的结构示意图，图3是试样加载过程 结构示意图，图4是试样第二金属体部分有限元模拟应力分布图，图5是第二金属体部分 中轴线方向应力分布，图6是试样第三金属体竖直段部分有限元模拟应力分布，图7是试 样第三金属体竖直段部分中轴线方向应力分布，图8是试样第二金属体部分扩散氢分布照 片，图9是图片处理前沿中轴线微矩形区域内扩散氢分布图，图10是图片处理后沿中轴线 微矩形区域内扩散氢分布图.

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的装置包括加载螺栓1和两 个加载块2，每个加载块2的上端面和下端面上均开有第一槽2-1和第二槽2-2，第一槽 2-1和第二槽2-2均为长方形凹槽，第一槽2-1的长度大于第二槽2-2的长度，第一槽2-1 与第二槽2-2沿宽度方向贯通，加载螺栓1穿过加载块2且与加载块螺纹连接。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第一槽2-1在宽度方向上 的面为圆弧面，此结构的优点是减少应力集中。其它实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2-图8说明本实施方式，本实施方式的方法基于这样的试 件完成，试样3由第一金属体3-1、第二金属体3-2和第三金属体3-3构成，第一金属体 3-1和第三金属体3-3的横截面为T字形，第二金属体3-2的横截面为等腰梯形，第一金 属体3-1的竖直段与第二金属体3-2的下底面连接制成一体，第二金属体3-2的上底面与 第三金属体3-3的竖直段制成一体；

所述方法包括如下步骤：步骤一、试样处理及加载：将待充氢试样按金相试样要求进 行处理，保留充氢面，其余面有硅胶密封，将两个试样装入相对应的第一槽2-1和第二槽 2-2，旋进加载螺栓1对试样进行加载，根据需加应力的大小确定加载螺栓1的前进的距 离；

步骤二、应力测量：在将待充氢试样的第三金属体3-3的竖直段贴上应变片4，通过 静态应变测量仪测量竖直段的应变，并计算出该部位应力分布，然后通过Marc有限元软 件计算出试样3的第二金属体3-2的应力分布；

步骤三、电化学充氢：首先，取硫酸和蒸馏水配制0.5-2mol/L的硫酸水溶液，将配 制好的硫酸水溶液倒入电解池中；然后，使用铂电极作为阳极，待充氢试样作为阴极，阳 极和阴极分别连接直流电源对应的正负电极，接通直流电源，并将待充氢试样放入装有电 解液的电解池中；最后，根据加载试样表面积的大小及钢种种类，调整充氢电流强度至 10-100mA/cm²，对加载试样进行充氢，充氢时间为1-36小时；

步骤四、扩散氢收集：加载试样充氢完毕，用4％硝酸酒精溶液浸蚀抛光表面，在抛 光的试样表面涂一层甘油作为氢气泡的收集液，加盖玻片；把试样放置到电子显微镜下在 室温下观察拍照，当最大气泡直径接近膜厚的85％-90％时拍照记录并更换甘油，试样观察 拍照直至逸出氢不再变化为止。

具体实施方式四：结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式的方法还包括步骤 五和步骤六，步骤五、扩散氢数据处理：根据扩散氢照片，使用图像分析软件Matlab统 计计算出特定时刻梯形试样不同位置的气泡直径和个数，换算出各位置的逸出氢数量，单 位为mm³/mm²，作图得到不同时刻的扩散氢分布曲线，把不同时刻同一位置的扩散氢量相 加，可作出扩散氢总量分布曲线；步骤六、建立扩散氢含量与应力分布之间对应关系：通 过有限元计算可知，试样矩形部分纵向应力分布是均匀的，梯形区域纵向应力分布为梯度 变化，在梯形区域以中轴线为中心，选择长10mm宽3mm的微矩形区，将该矩形区分成若 干横条，横条每个单元上的纵向应力相同，加载时可通过有限元计算获得具体数值，横条 与横条之间纵向应力沿中轴线方向呈梯度分布，使用图像分析软件统计不同时刻每个横条 上扩散氢数量；由此可以建立试样沿中轴线微矩形区中应力变化与扩散氢之间的定量关 系。其它实施方式与具体实施方式三相同。