CN207300718U - 一种金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及金属充氢试验方法以及应力腐蚀测量领域，具体为一种金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，适用于对氢浓度条件要求较高且对试样加载同时进行充氢的体系中。该装置包括试样绝缘加载装置和电化学充氢装置，主要设有一组绝缘夹具、一组板状试样夹具、一个拉伸试样、一对绝缘垫片、一对加载螺母，一对连接螺杆、一段铂片和一台直流电源，其操作简便，能够实现对试样加载的同时进行充氢，并能够准确控制充氢浓度、易于实时观察试样应力腐蚀状态。该装置整体尺寸较小，适合在实验室中推广使用，在钢铁、有色等大规模工业生产、检测分析等领域也可广泛应用。

Description

一种金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置

技术领域

本实用新型涉及金属充氢试验方法以及应力腐蚀测量领域，具体为一种金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，适用于对氢浓度条件要求较高且对试样加载同时进行充氢的体系中。

背景技术

金属中的氢是一种有害但又难以完全避免的杂质元素，氢来源于大气或在含氢环境中服役时进入到材料内部的氢和电化学阴极反映过程产生的氢，它对金属的危害主要是引起金属韧性的降低，严重时会导致金属锻件的失效，这种现象被称为氢脆。

氢脆按照其与加载时应变速率的关系可分为两类：1.氢脆敏感性随加载时应变速率的增加而升高，大型锻件中的白点即属于第一类氢脆。在加载前，氢已经在金属中形成损伤，随加载应变速率的增加，初始的氢损伤处形成极大的应力集中，使得裂纹扩展速度增大，导致脆性增加；2.氢脆敏感性随加载时应变速率的增加而减小，金属的滞后断裂和大型锻件的置裂均属于第二类氢脆。在加载前，金属中尚未形成氢脆源，但在加载的过程中，随着应力、应变的交互作用，氢不断扩散聚集，逐步形成氢脆源并导致脆性增加。为了保证金属材料在使用过程中的安全性，有必要研究清楚氢含量对金属脆性影响的根本机制，需要在实验室条件下对不同含氢量的样品进行应力腐蚀敏感性测试。

氢进入到金属内部的过程分为四个阶段：

1.气体分子向金属表面扩散；

2.在金属表面上分子的吸附、分解和化学吸着；

3.由化学吸着层向晶格中的原子转移；

4.金属晶格中原子的转移。

氢从金属中析出则由三个连续过程组成：

1.溶解的氢由金属内部向表面迁移(扩散阶段) ；

2.原子状态氢逸出金属表面并形成氢分子；

3.氢分子从金属表面解吸进入气相。

关于试样在未受载荷条件下的静态充氢方法目前已经比较普遍，例如：

一、室温气相充氢：将试样直接置于室温下的高纯氢中，氢将按吸附、溶解、扩散的过程进入试样。根据物理、化学吸附的规律及氢溶解的规律，氢压越高氢进入试样的速度越快，时间越长氢进入试样的量越多。由于这种充氢方法，即使采用很高的氢压能进入材料的氢含量也有限；

二、高温高压充氢：需要在高压釜中进行，高温高压下始终保持高压釜内的氢浓度，通常实验室难以具备这样的试验条件，而且从安全的角度来看也存在很大的隐患；

三、电化学充氢：常规的电化学充氢是将试样放置在电解池的阴极，铂片做阳极，试样做阴极，利用电解过程的阴极效应使氢进入金属内部。电解液中电离出来的H⁺在阴极获得电子，形成氢原子而吸附在阴极表面，吸附的氢原子一部分通过去吸附扩散进入试样；另一部分在试样表面复合成氢分子，变成H₂气泡逸出电解液。电解充氢时，电解液的组分、充氢电流密度、充氢时电解液的温度以及试样自身的材质状况等对充氢的效果都有影响。另外，充氢结束后将试样从充氢环境中取出到正式试验，这个过程需要一定的时间，此时大量的氢会从试样中逸出，这就使试样内部不能保证固定的氢浓度。

综上所述，有必要发展出一种设备简单、操作便利、控制准确的动态充氢试验装置。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型主要目的在于提供一种金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，解决现有技术中充氢量有限，存在安全隐患以及氢溢出的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，该装置包括绝缘加载装置和电化学充氢装置，其中：

绝缘加载装置设有板状试样一根、板状试样夹具一对、绝缘夹具一对、加载螺母一对、连接螺杆一对，工作时绝缘夹具通过销钉连接到拉伸机的上下夹头，板状试样的上、下夹持端通过销钉与放入的板状试样夹具连接，板状试样夹具与绝缘夹具之间通过配套使用的加载螺母和连接螺杆连接；

电化学充氢装置设有直流电源一台、铂片一段，工作时将板状试样通过导线连接在直流电源的阴极，铂片连接在直流电源的阳极。

所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，上下对称的绝缘夹具分别通过绝缘夹具穿销孔与拉伸机相连接，两个绝缘垫片分别套在上下对称的连接螺杆的外面，两个加载螺母分别拧在上下对称的连接螺杆一端的外螺纹上，绝缘夹具通过连接螺杆另一端的外螺纹与板状试样夹具相连。

所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，绝缘夹具的外形为柱状，其与拉伸机相连部分沿径向开设绝缘夹具穿销孔，其与连接螺杆相连部分沿中心轴线开设台阶孔、且一侧带开口的结构，所述台阶孔用于容纳加载螺母和绝缘垫片，所述开口处与加载螺母和连接螺杆相对应，使相连的加载螺母和连接螺杆通过开口与绝缘夹具卡接，绝缘垫片位于加载螺母与绝缘夹具对应面之间。

所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，板状试样的上下两端分别放置在上下对称的板状试样夹具放置槽内，并通过板状试样销钉孔与板状试样夹具相连。

所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，板状试样夹具的外形为柱状，其与连接螺杆相连部分沿中心轴线开设与连接螺杆配合的内螺纹，其与板状试样相连部分沿径向开设板状试样夹具放置槽，板状试样夹具在板状试样夹具放置槽两侧开设板状试样销钉孔，板状试样的夹持端与板状试样夹具放置槽插装配合，板状试样的夹持端开孔与板状试样销钉孔通过销钉连接。

所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，铂片平行放置在板状试样的标距段外侧。

所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，加载螺母的外径应与绝缘夹具的内径匹配，加载螺母的内螺纹与连接螺杆的外螺纹相匹配。

所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，绝缘夹具上的绝缘夹具穿销孔与拉伸机的上下夹头以穿销的方式连接。

所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，电化学充氢装置与绝缘夹具相连的连接螺杆外侧套有氧化锆陶瓷制成的绝缘垫片。

所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，电化学充氢装置通过试样标距段的表面积和直流电源的输入电流计算出试样充氢时的电流密度大小。

本实用新型的设计思想是：

现有充氢方法需要在高温高压环境中进行，通常实验室不具备这样的条件，而且高温高压充氢也存在较大的隐患。另外，常规的充氢方法在充氢结束后再进行拉伸试验。首先，将试样从充氢环境下取出到正式开始试验这个过程需要一定的时间；其次，在开始进行慢应变速率拉伸试验时由于应变速率较低，试验往往也需要较长的时间；这个过程导致大量的氢从试样中逸出，这就使试样内部不能保证一定的氢浓度。通过本实用新型，可以实现金属材料在进行拉伸试验的同时进行充氢，既没有安全隐患，也便于试验室操作，同时可以保证固定的氢浓度。另外，本实用新型采用薄板状拉伸试样，由于试样尺寸小，因此需要的原料少，便于加工；同时由于试样厚度小，有利于氢在试样内部的均匀扩散。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

1.本实用新型试样夹持端通过绝缘夹具与拉伸机的施力轴连接，可以准确控制载荷大小。

2.本实用新型通过氧化锆绝缘垫片将试样与夹具之间绝缘，可以在电化学充氢的同时进行试样的加载，有效避免氢的溢出。

3.本实用新型通过设在试样夹持端的加载螺母可以节约试验材料并实现绝缘垫片的放置。

4.本实用新型可以获得较高的氢浓度。

5.本实用新型可以通过调节直流电源的输入电流和试样标距段的表面积，直接计算出试样充氢时的电流密度大小，实现控制充氢电流密度和充氢时间的目的。

6.本实用新型操作简单、无安全隐患，设备成本较低。

7.本实用新型采用薄板状拉伸试样，由于试样尺寸小，因此需要的原料少，便于加工；同时，由于试样厚度小，有利于氢在试样内部的均匀扩散。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图中，1.绝缘夹具；2.绝缘夹具穿销孔；3.加载螺母；4.绝缘垫片；5.连接螺杆；6.板状试样夹具；7.板状试样夹具放置槽；8.板状试样销钉孔；9.板状试样；10.铂片；11.直流电源；12.夹持端；13.夹持端开孔；14.台阶孔； 15.开口。

具体实施方式

在具体实施过程中，本实用新型包括试样绝缘加载装置和电化学充氢装置，主要设有一组绝缘夹具、一组板状试样夹具、一个拉伸试样、一对绝缘垫片、一对加载螺母，一对连接螺杆、一段铂片和一台直流电源。该装置操作简便，能够实现对试样加载的同时进行充氢，并能够准确控制充氢浓度、易于实时观察试样应力腐蚀状态。

下面结合附图和实施例对本实用新型结构进行详细地说明。

实施例

如图1所示，本实施例动态电化学充氢试验装置为上下对称结构，包括绝缘加载装置和电化学充氢装置，该装置主要设有一对绝缘夹具1(上下各一)、一对绝缘垫片4(上下各一)、一对板状试样夹具6(上下各一)、一对加载螺母3(上下各一)、一对连接螺杆5(上下各一)、一根板状试样9、一段铂片10、一台直流电源11等，具体结构如下：

上下对称的绝缘夹具1分别通过绝缘夹具穿销孔2与拉伸机相连接，两个绝缘垫片4分别套在上下对称的连接螺杆5的外面，两个加载螺母3分别拧在上下对称的连接螺杆5一端的外螺纹上，绝缘夹具1通过连接螺杆5另一端的外螺纹与板状试样夹具6相连。绝缘夹具1的外形为柱状，其与拉伸机相连部分沿径向开设绝缘夹具穿销孔2，其与连接螺杆5相连部分沿中心轴线开设台阶孔14、且一侧带开口15的结构，所述台阶孔14分别容纳加载螺母3和穿设连接螺杆5，所述开口15处与加载螺母3和连接螺杆5相对应，使相连的加载螺母3和连接螺杆5通过开口15与绝缘夹具1卡接，绝缘垫片4位于加载螺母3与绝缘夹具1 对应面之间。

板状试样9的上下两端分别放置在上下对称的试样夹具6的板状试样夹具放置槽7内，并通过板状试样销钉孔8与板状试样夹具6相连。板状试样夹具6的外形为柱状，其与连接螺杆5相连部分沿中心轴线开设与连接螺杆5配合的内螺纹，其与板状试样9相连部分沿径向开设板状试样夹具放置槽7，板状试样夹具6 在板状试样夹具放置槽7两侧开设板状试样销钉孔8，板状试样9的夹持端12与板状试样夹具放置槽7插装配合，板状试样9的夹持端开孔13与板状试样销钉孔 8通过销钉连接。

铂片10平行放置在板状试样9的标距段外侧，铂片10与直流电源11的阳极相连，板状试样9与直流电源11的阴极相连。

本实施例中，通过加载螺母3将连接螺杆5与绝缘夹具1连接，因此加载螺母3的外径应与绝缘夹具1的内径匹配，加载螺母3的内螺纹应与连接螺杆5的外螺纹相匹配。

本实施例中，通过绝缘夹具1上的绝缘夹具穿销孔2与拉伸机的上下夹头以穿销的方式连接。

本实施例中，绝缘垫片4以氧化锆陶瓷制成，板状试样9的标距段以外用硅胶密封。

实施例结果表明，本实用新型装置操作简单、无安全隐患，设备成本较低，可以在电化学充氢的同时进行试验的加载，有效避免氢溢出，并能控制充氢电流密度、和充氢时间。该装置整体尺寸较小，适合在实验室中推广使用，在钢铁、有色等大规模工业生产、检测分析等领域也可广泛应用。

Claims (9)

1.一种金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，其特征在于，该装置包括绝缘加载装置和电化学充氢装置，其中：

绝缘加载装置设有板状试样一根、板状试样夹具一对、绝缘夹具一对、加载螺母一对、连接螺杆一对，工作时绝缘夹具通过销钉连接到拉伸机的上下夹头，板状试样的上、下夹持端通过销钉与放入的板状试样夹具连接，板状试样夹具与绝缘夹具之间通过配套使用的加载螺母和连接螺杆连接；

电化学充氢装置设有直流电源一台、铂片一段，工作时将板状试样通过导线连接在直流电源的阴极，铂片连接在直流电源的阳极。

2.按照权利要求1所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，其特征在于：上下对称的绝缘夹具分别通过绝缘夹具穿销孔与拉伸机相连接，两个绝缘垫片分别套在上下对称的连接螺杆的外面，两个加载螺母分别拧在上下对称的连接螺杆一端的外螺纹上，绝缘夹具通过连接螺杆另一端的外螺纹与板状试样夹具相连。

3.按照权利要求1或2所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，其特征在于：绝缘夹具的外形为柱状，其与拉伸机相连部分沿径向开设绝缘夹具穿销孔，其与连接螺杆相连部分沿中心轴线开设台阶孔、且一侧带开口的结构，所述台阶孔用于容纳加载螺母和绝缘垫片，所述开口处与加载螺母和连接螺杆相对应，使相连的加载螺母和连接螺杆通过开口与绝缘夹具卡接，绝缘垫片位于加载螺母与绝缘夹具对应面之间。

4.按照权利要求1所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，其特征在于：板状试样的上下两端分别放置在上下对称的板状试样夹具放置槽内，并通过板状试样销钉孔与板状试样夹具相连。

5.按照权利要求1或4所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，其特征在于：板状试样夹具的外形为柱状，其与连接螺杆相连部分沿中心轴线开设与连接螺杆配合的内螺纹，其与板状试样相连部分沿径向开设板状试样夹具放置槽，板状试样夹具在板状试样夹具放置槽两侧开设板状试样销钉孔，板状试样的夹持端与板状试样夹具放置槽插装配合，板状试样的夹持端开孔与板状试样销钉孔通过销钉连接。

6.按照权利要求1所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，其特征在于：铂片平行放置在板状试样的标距段外侧。

7.按照权利要求1所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，其特征在于：加载螺母的外径应与绝缘夹具的内径匹配，加载螺母的内螺纹与连接螺杆的外螺纹相匹配。

8.按照权利要求1所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，其特征在于：绝缘夹具上的绝缘夹具穿销孔与拉伸机的上下夹头以穿销的方式连接。

9.按照权利要求1所述的金属板状试样动态充氢拉伸应力腐蚀试验装置，其特征在于：电化学充氢装置与绝缘夹具相连的连接螺杆外侧套有氧化锆陶瓷制成的绝缘垫片。