一种测量变预应力条件下金属试样抗氢脆性能的试验装置

摘要

本发明涉及材料学与电化学领域，特指一种测量变预应力条件下金属试样抗氢脆性能的试验装置，包括有试样夹持装置、机械加载系统、电机控制系统、应力传感器、温控系统和驱气系统；实现测量不同应力变化速率条件对试样抗氢脆性能影响的试验，并采用串联电路电化学充氢减少多试样试验周期，提高试验效率，温控系统和驱气系统的引入维持介质的稳定性，提高了氢脆试验的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及材料学与电化学领域，特指一种采用串联电路电化学充氢装置，并在装置中增加电机加载系统，实现试样在不同应力变化速率条件下的氢脆试验，并减少了多试样试验周期，提高了试验效率；温控系统和驱气系统的引入维持了介质的稳定性，并提高了氢脆试验的精度。

背景技术

管线钢属于高强度低合金钢，常温下具有较高的机械强度与良好的韧性，因此其被广泛应用于石油和天然气的输送。输送管道多处于潮湿环境，且输送介质多含硫化氢、酸性物质，且大多采用阴极保护，在保护的过程中析氢反应产生的原子氢扩散进入钢材，使其在晶界处形成空洞，从而导致氢鼓泡、氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂，机械性能大幅退化。氢是引起多种管线断裂事故的根源，成为威胁管线安全运行的隐患之一。在其他领域，如炼钢、焊接过程中的湿气在高温下被还原而生成氢，并溶解在液体金属中；或设备在电镀或酸洗时，钢表面被吸附的氢原子过饱和，使氢渗入钢中。氢脆隐患普遍存在于各种金属工件，会使材料发生突然脆性断裂造成严重事故，对氢脆行为的研究具有很大的意义。电化学氢渗透方法被认为是研究氢在金属中扩散行为的经典方法。

过去使用的充氢装置采用的是单线充氢装置，其示意图如图1，即每条线路上只有一个试样和铂片。这种充氢方法具有一定的优点，比如充氢量大，试验操作简单，电流和温度等主要影响因素容易控制等。但是对于试样需求量较大的氢脆试验，单线充氢必然需要对先充氢的试样进行保存，待一组试样充氢结束后再进行后续实验观察，完成一组氢脆试验周期很长，液氮保存的过程中难免会有氢的逸出，且难以满足测量变预应力条件对试样抗氢脆性能的影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种测量变预应力条件下金属试样抗氢脆性能的试验装置，包括有电解槽、试样夹持装置、机械加载系统、电机控制系统、应力传感器、数据采集器和温控系统；实现测量不同应力变化速率条件对试样抗氢脆性能影响的试验，并采用串联电路电化学充氢减少多试样试验周期，提高试验效率，温控系统和驱气系统的引入维持介质的稳定性，提高了氢脆试验的精度。

其技术方案为：

采用瓦特镀液对金属薄片试样进行单面镀镍，之后将试样用试样夹持装置装夹好，所述试样夹持装置主要由夹具体、紧固螺栓和密封装置组成，试样安装在夹具体的两端卡槽中，卡槽的端面为直角梯形，梯形斜边与试样竖直面的夹角为40°以保证试样弯曲过程中不会弹出，夹具体采用镍基合金制成以满足其高承载能力和耐腐蚀性能，且通过紧固螺栓固定在电解槽内侧，紧固螺栓规格为M8×45。

通过机械加载系统对试样施加弯曲应力，测量加载速度与试样应力变化速率的关系。所述机械加载系统主要由电机、滚珠丝杠、推杆以及密封橡胶膜组成；电机与滚珠丝杠连接，通过电机带动滚珠丝杠运转，推杆与滚珠丝杠中的移动块相连，推杆依次穿过安装在电解槽侧壁的试样夹持装置的密封装置和夹具体与试样接触，移动块带动推杆行进并对试样施加弯曲应力，电机正反转控制推杆行程的方向，电机选择小型齿轮减速马达6IK300RGU，推杆采用镍基合金制成，尺寸为20×6mm；通过电机控制系统控制电机加载速度的不同实现滚珠丝杠行程速度的不同，从而实现试样应力变化速率的不同；推杆与试样接触处采用橡胶膜密封，避免加载过程中电解液泄露；试样中心位置设置有应力传感器，应力传感器与数据采集器相连，记录不同加载速度对应的试样应力变化速率。

调整试样与加载装置使其恢复初始状态，然后采用串联电路进行电化学充氢，一个回路中串联与电解槽个数对应的N个试样和铂片电极，即稳压电源(1)的正极与第一电解槽中的铂片电极相连，阴极试样通过导线与第二电解槽中的铂片电极相连，同样第二电解槽中的阴极试样与第三电解槽中的铂片电极相连，第三电解槽中的阴极试样与第四电解槽中的铂片电极相连，直至第N电解槽中的阴极试样与稳压电源的负极相连，向电解槽内加入0.1mol/L的NaOH溶液与1.26mol/L的Na₄P₂O₇毒化剂，液面高度以能没过试样和铂电极为准，并向电解槽中通入常压N₂进行驱氧处理，电解槽长、宽和高分别为300mm、200mm和200mm。

电解槽位于恒温槽中，打开恒温装置让恒温介质从进水口流入恒温槽并从出水口返回，并通过控制进水口节流阀和出水口节流阀实现恒温槽温度的控制。

当电解质溶液中的溶解氧含量降至规定要求后，调整稳压电源使充氢电流稳定在0.07A，然后根据数据采集器获得的加载速度对应的试样应力变化关系设置所需要的电机速度，使电解槽中的试样分别获得试验所要求的应力变化速率，并通过电机的正反转控制滚珠丝杠的往复运动，以实现试样应力变化的循环往复，即获得一个持续的应力变化过程。

经过大约140h的电解充氢处理后，关闭稳压电源，取出试样，放在超声波清洗机中用酒精溶液洗去表面电解质溶液，风干后用扫描电镜观察试样表面的氢脆裂纹。

本发明的有益效果：本发明提供了一套适用于多试样，变预应力条件下检测金属材料抗氢脆性能的试验装置，弥补了现有氢脆试验装置试验周期长，效率低，且不能测量变预应力对金属材料抗氢脆性能影响的不足；温控系统和驱气系统的引入维持了介质的稳定性，提高了氢脆试验的精度。

附图说明

图1为本发明新型氢脆试验装置结构原理图。

图2为本发明新型试样夹持装置与加载装置结构示意图。

图3为本发明新型氢脆试验后试样表面形貌图。

图中：1.稳压电源，2.数据采集器，3.电机，4.滚珠丝杠，5.紧固螺栓，6.铂电极，7.进水口节流阀，8.恒温装置，9.应力传感器，10.电解槽，11.恒温槽，12.试样，13.电机控制系统，14.试样夹持装置，15.螺杆橡皮垫圈，16.出水口橡皮垫圈，17.出水口，18.出水口节流阀，19.夹具体，20.紧固螺栓，21.密封装置，22.密封橡胶膜，23.推杆。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明作进一步详细说明。

一种测量变预应力条件下金属试样抗氢脆性能的试验装置，包括有试样夹持装置，机械加载系统，电机控制系统，应力传感器，温控系统和驱气系统。实现测量不同应力变化速率条件对试样抗氢脆性能影响的试验，并采用串联电路电化学充氢减少多试样试验周期，提高试验效率，温控系统和驱气系统的引入维持介质的稳定性，提高了氢脆试验的精度。

选取AZ31B镁合金作为研究对象，将镁合金制成20mm×5mm×2mm的薄片，所有试样分为三组，每组两个，设置电机参数依次增加应力变化速率。

采用瓦特镀液对金属薄片试样12进行单面镀镍，之后将试样12用夹持装置装夹好，所述夹持装置14主要由夹具体19、紧固螺栓20和密封装置21组成，试样安装在夹具体19的两端卡槽中，卡槽的端面为直角梯形，梯形斜边与试样竖直面的夹角为40°以保证试样弯曲过程中不会弹出，夹具体19采用镍基合金制成以满足其高承载能力和耐腐蚀性能，且通过紧固螺栓20固定在电解槽10内侧，紧固螺栓20规格为M8×45。

通过电机3带动滚珠丝杠4运转，推杆23与滚珠丝杠4中的移动块相连，移动块带动推杆23行进并对试样12施加弯曲应力，电机3正反转控制推杆23行程的方向，电机3选择小型齿轮减速马达6IK300RGU，推杆23采用镍基合金制成，尺寸为20×6mm；通过电机控制系统13控制三个电机3加载速度的不同实现滚珠丝杠4行进速度的不同，从而实现试样12应力变化速率的不同，推杆23与试样12接触处采用橡胶膜22密封，避免加载过程中电解液泄露；试样24中心位置设置有应力传感器9，应力传感器9与数据采集器2相连，记录不同加载速度对应的试样应力变化速率。

调整试样与加载装置使其恢复初始状态，然后采用串联电路进行电化学充氢，一个回路中串联3个试样和铂片电极，即稳压电源1的正极与第一电解槽中的铂电极6相连，阴极试样通过导线与第二电解槽中的铂电极6相连，同样第二电解槽中的阴极试样与第三电解槽中的铂电极6相连，第三电极槽中的阴极试样与稳压电源1的负极相连，向电解槽10内加入0.1mol/L的NaOH溶液与1.26mol/L的Na₄P₂O₇毒化剂，液面高度以能没过试样12和铂电极6为准，并向电解槽中通入常压N₂进行驱氧处理。

打开恒温装置8让恒温介质从进水口流入恒温槽11并从出水口返回，并通过控制进水口节流阀7和出水口节流阀18实现恒温槽温度的控制。当电解质溶液中的溶解氧含量降至规定要求后，调整稳压电源1使充氢电流稳定在0.07A，然后根据数据采集器2获得的加载速度对应的试样应力变化关系设置所需要的电机速度，分别为4r/min、8r/min和16r/min，使三个电解槽中的试样分别获得试验所要求的应力变化速率，并通过电机3的正反转控制滚珠丝杠4的往复运动，以实现试样应力变化的循环往复，即获得一个持续的应力变化过程。

经过大约140h的电解充氢处理后，关闭电源，取出试样，放在超声波清洗机中用酒精溶液洗去表面电解质溶液，风干后用扫描电镜观察试样表面的氢脆裂纹，如图3所示。

本实施例在相同的充氢电流以及温度下，测量变预应力条件对镁合金材料抗氢脆性能的影响，试验时间大幅缩短，试验结果精确，从氢脆试验后试样表面形貌可以看出：应力变化越快，裂纹萌生越容易，裂纹的宽度以及长度明显增大。