專利名稱：獲得靜載梯度拉應力下擴散氫動態(tài)分布的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種獲得金屬在靜載梯度拉應力場中擴散氫分布的裝置及方法。
背景技術：
在恒載荷(或恒位移)條件下，原子氫通過應力誘導擴散富集到臨界值后就引起氫致裂紋的形核、擴展從而導致低應力(甚至遠低于屈服應力)下的滯后(要經(jīng)過一定時間)斷裂現(xiàn)象稱為氫致滯后斷裂。這種低應力下的氫致滯后斷裂往往造成災難性的斷裂事故。本質(zhì)上，氫的擴散過程與其在鋼中的化學勢密切相關，在化學勢能差(即化學梯度)的驅(qū)動下，氫將從化學勢高的地方向化學勢低的地方擴散，直至達到平衡。當金屬中存在正應
力時它就能和H的應變場發(fā)生交互作用，這個相互作用使得氫的化學位下降，導致氫向該處富集。正應力不同的地方，交互作用不同，氫的化學位降低量就不同，因此氫易于向拉應力較大處擴散，即應力使氫發(fā)生上坡擴散。三向拉應力(靜水應力)處氫濃度高于平均氫濃度，而壓應力處的氫濃度則低于平均氫濃度。通過應力誘導擴散，氫將向高應力區(qū)富集，經(jīng)足夠長的時間后，氫濃度分布將達到穩(wěn)定值，當材料中的氫含量很低，不足以產(chǎn)生不可逆氫損傷時，在拉伸過程中仍可通過應力誘導氫的擴散富集，從而在低的外應力下裂紋(或孔洞)就形核擴展，導致塑性和韌性的下降從而影響其服役安全性。毋庸置疑，材料氫致滯后斷裂行為在很大程度上取決于拉應力與擴散氫的交互作用，目前關于應力誘導氫擴散理論的研究，仍缺乏簡單直觀的研究方法，因此，有必要獲得金屬在靜載拉伸條件下，擴散氫在應力場中的動態(tài)分布，為應力誘導氫擴散理論獲得和材料氫致滯后斷裂機制提供先進的獲得手段，同時還能夠為分析裂紋擴展機制提供依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種獲得靜載梯度拉應力下擴散氫動態(tài)分布的裝置及方法，以解決目前缺乏簡單直觀獲得拉應力與擴散氫分布情況的裝置及方法的問題。本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是裝置方案所述裝置包括加載螺栓和兩個加載塊，每個加載塊的上端面和下端面上均開有第一槽和第二槽，第一槽和第二槽均為長方形凹槽，第一槽的長度大于第二槽的長度，第一槽與第二槽沿寬度方向貫通，力口載螺栓穿過加載塊且與加載塊螺紋連接。方法方案所述方法基于這樣的試件完成，試樣由第一金屬體、第二金屬體和第三金屬體構成，第一金屬體和第三金屬體的橫截面為T字形，第二金屬體的橫截面為等腰梯形，第一金屬體的豎直段與第二金屬體的下底面連接制成一體，第二金屬體的上底面與第三金屬體的豎直段制成一體，所述方法包括如下步驟步驟一、試樣處理及加載將待充氫試樣按金相試樣要求進行處理，保留充氫面，其余面有硅膠密封，將兩個試樣裝入相對應的第一槽和第二槽，旋進加載螺栓對試樣進行加載，根據(jù)需加應力的大小確定加載螺栓的前進的距尚;步驟二、應力測量在將待充氫試樣的第三金屬體的豎直段貼上應變片，通過靜態(tài)應變測量儀測量豎直段的應變，并計算出該部位應力分布，然后通過Marc有限元軟件計算出試樣的第二金屬體的應力分布；步驟三、電化學充氫首先，取硫酸和蒸餾水配制0. 5-2mol/L的硫酸水溶液，將配制好的硫酸水溶液倒入電解池中；然后，使用鉬電極作為陽極，待充氫試樣作為陰極，陽極和陰極分別連接直流電源對應的正負電極，接通直流電源，并將待充氫試樣放入裝有電解液的電解池中；最后，根據(jù)加載試樣表面積的大小及鋼種種類，調(diào)整充氫電流強度至10-100mA/cm2,對加載試樣進行充氫,充氫時間為1_36小時；步驟四、擴散氫收集加載試樣充氫完畢，用4%硝酸酒精溶液浸蝕拋光表面，在拋光的試樣表面涂一層甘油作為氫氣泡的收集液，加蓋玻片；把試樣放置到電子顯微鏡下在室溫下觀察拍照，當最大氣泡直徑接近膜厚的85% -90%時拍照記錄并更換甘油，試樣、觀察拍照直至逸出氫不再變化為止。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明是獲得金屬在靜載梯度拉應力條件下，進行電化學充氫以后，擴散氫在應力場中的動態(tài)分布行為的裝置及方法。可通過調(diào)整金屬試樣形狀實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)改變梯度拉應力場大小及其梯度的目的，從而改變氫擴散的條件，為應力誘導氫擴散理論獲得和材料氫致滯后斷裂機制提供先進的獲得手段。本發(fā)明可以獲得受靜載拉伸梯度應力的金屬材料在進行電化學充氫以后，擴散氫在應力場中的動態(tài)分布行為，還可實現(xiàn)對拉應力大小、梯度以及電化學充氫工藝的控制，彌補了現(xiàn)有電化學充氫方法不能獲得梯度拉應力對擴散氫動態(tài)分布行為影響的缺陷。通過調(diào)整金屬試樣形狀實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)改變拉應力場大小及其梯度，從而改變氫擴散的條件，為應力誘導氫擴散理論獲得和材料氫致滯后斷裂機制提供先進的獲得手段。目前靜載梯度拉應力對擴散氫動態(tài)分布行為的影響，目前尚沒有合理評價的裝置和方法。


圖I是本發(fā)明所述裝置結構示意圖，圖2是試樣的結構示意圖，圖3是試樣加載過程結構示意圖，圖4是試樣第二金屬體部分有限元模擬應力分布圖，圖5是第二金屬體部分中軸線方向應力分布，圖6是試樣第三金屬體豎直段部分有限元模擬應力分布，圖7是試樣第三金屬體豎直段部分中軸線方向應力分布，圖8是試樣第二金屬體部分擴散氫分布照片，圖9是圖片處理前沿中軸線微矩形區(qū)域內(nèi)擴散氫分布圖，圖10是圖片處理后沿中軸線微矩形區(qū)域內(nèi)擴散氫分布圖.具體實施方式
一結合圖I說明本實施方式，本實施方式的裝置包括加載螺栓I和兩個加載塊2，每個加載塊2的上端面和下端面上均開有第一槽2-1和第二槽2-2，第一槽
2-1和第二槽2-2均為長方形凹槽，第一槽2-1的長度大于第二槽2-2的長度，第一槽2-1與第二槽2-2沿寬度方向貫通，加載螺栓I穿過加載塊2且與加載塊螺紋連接。
具體實施方式
二 結合圖I說明本實施方式，本實施方式的第一槽2-1在寬度方向上的面為圓弧面，此結構的優(yōu)點是減少應力集中。其它實施方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖2-圖8說明本實施方式，本實施方式的方法基于這樣的試件完成，試樣3由第一金屬體3-1、第二金屬體3-2和第三金屬體3-3構成,第一金屬體
3-1和第三金屬體3-3的橫截面為T字形，第二金屬體3-2的橫截面為等腰梯形，第一金屬體3-1的豎直段與第二金屬體3-2的下底面連接制成一體，第二金屬體3-2的上底面與第三金屬體3-3的豎直段制成一體；所述方法包括如下步驟步驟一、試樣處理及加載將待充氫試樣按金相試樣要求進行處理，保留充氫面，其余面有硅膠密封，將兩個試樣裝入相對應的第一槽2-1和第二槽2-2，旋進加載螺栓I對試樣進行加載，根據(jù)需加應力的大小確定加載螺栓I的前進的距離；步驟二、應力測量在將待充氫試樣的第三金屬體3-3的豎直段貼上應變片4，通過靜態(tài)應變測量儀測量豎直段的應變，并計算出該部位應力分布，然后通過Marc有限元軟件計算出試樣3的第二金屬體3-2的應力分布；步驟三、電化學充氫首先，取硫酸和蒸餾水配制0. 5-2mol/L的硫酸水溶液，將配制好的硫酸水溶液倒入電解池中；然后，使用鉬電極作為陽極，待充氫試樣作為陰極，陽極和陰極分別連接直流電源對應的正負電極，接通直流電源，并將待充氫試樣放入裝有電解液的電解池中；最后，根據(jù)加載試樣表面積的大小及鋼種種類，調(diào)整充氫電流強度至10-100mA/cm2,對加載試樣進行充氫,充氫時間為1_36小時；步驟四、擴散氫收集加載試樣充氫完畢，用4%硝酸酒精溶液浸蝕拋光表面，在拋光的試樣表面涂一層甘油作為氫氣泡的收集液，加蓋玻片；把試樣放置到電子顯微鏡下在室溫下觀察拍照，當最大氣泡直徑接近膜厚的85% -90%時拍照記錄并更換甘油，試樣觀察拍照直至逸出氫不再變化為止。
具體實施方式
四結合圖9和圖10說明本實施方式，本實施方式的方法還包括步驟五和步驟六，步驟五、擴散氫數(shù)據(jù)處理根據(jù)擴散氫照片，使用圖像分析軟件Matlab統(tǒng)計計算出特定時刻梯形試樣不同位置的氣泡直徑和個數(shù)，換算出各位置的逸出氫數(shù)量，單位為mm3/mm2,作圖得到不同時刻的擴散氫分布曲線，把不同時刻同一位置的擴散氫量相加，可作出擴散氫總量分布曲線；步驟六、建立擴散氫含量與應力分布之間對應關系通過有限元計算可知，試樣矩形部分縱向應力分布是均勻的，梯形區(qū)域縱向應力分布為梯度變化，在梯形區(qū)域以中軸線為中心，選擇長IOmm寬3mm的微矩形區(qū)，將該矩形區(qū)分成若干橫條，橫條每個單元上的縱向應力相同，加載時可通過有限元計算獲得具體數(shù)值，橫條與橫條之間縱向應力沿中軸線方向呈梯度分布，使用圖像分析軟件統(tǒng)計不同時刻每個橫條上擴散氫數(shù)量；由此可以建立試樣沿中軸線微矩形區(qū)中應力變化與擴散氫之間的定量關系。其它實施方式與具體實施方式
三相同。權利要求
1.一種獲得靜載梯度拉應力下擴散氫動態(tài)分布的裝置，其特征在于所述裝置包括加載螺栓(I)和兩個加載塊(2)，每個加載塊(2)的上端面和下端面上均開有第一槽(2-1)和第二槽(2-2)，第一槽(2-1)和第二槽(2-2)均為長方形凹槽，第一槽(2-1)的長度大于第二槽(2-2)的長度，第一槽(2-1)與第二槽(2-2)沿寬度方向貫通，加載螺栓(I)穿過加載塊(2)且與加載塊螺紋連接。
2.根據(jù)權利要求I所述獲得靜載梯度拉應力下擴散氫動態(tài)分布的裝置，其特征在于第一槽(2-1)在寬度方向上的面為圓弧面。
3.使用權利要求I所述裝置獲得靜載梯度拉應力下擴散氫動態(tài)分布的方法，所述方法基于這樣的試件完成，試樣(3)由第一金屬體(3-1)、第二金屬體(3-2)和第三金屬體(3-3)構成，第一金屬體(3-1)和第三金屬體(3-3)的橫截面為T字形，第二金屬體(3-2) 的橫截面為等腰梯形，第一金屬體(3-1)的豎直段與第二金屬體(3-2)的下底面連接制成一體，第二金屬體(3-2)的上底面與第三金屬體(3-3)的豎直段制成一體,其特征在于所述方法包括如下步驟步驟一、試樣處理及加載將待充氫試樣按金相試樣要求進行處理，保留充氫面，其余面有硅膠密封，將兩個試樣裝入相對應的第一槽(2-1)和第二槽(2-2)，旋進加載螺栓(I)對試樣進行加載，根據(jù)需加應力的大小確定加載螺栓(I)的前進的距離； 步驟二、應力測量在將待充氫試樣的第三金屬體(3-3)的豎直段貼上應變片(4)，通過靜態(tài)應變測量儀測量豎直段的應變，并計算出該部位應力分布，然后通過Marc有限元軟件計算出試樣(3)的第二金屬體(3-2)的應力分布； 步驟三、電化學充氫首先，取硫酸和蒸餾水配制0. 5-2mol/L的硫酸水溶液，將配制好的硫酸水溶液倒入電解池中；然后，使用鉬電極作為陽極，待充氫試樣作為陰極，陽極和陰極分別連接直流電源對應的正負電極，接通直流電源，并將待充氫試樣放入裝有電解液的電解池中；最后，根據(jù)加載試樣表面積的大小及鋼種種類，調(diào)整充氫電流強度至IO-IOOmA/cm2,對加載試樣進行充氫,充氫時間為1-36小時； 步驟四、擴散氫收集加載試樣充氫完畢，用4%硝酸酒精溶液浸蝕拋光表面，在拋光的試樣表面涂一層甘油作為氫氣泡的收集液，加蓋玻片；把試樣放置到電子顯微鏡下在室溫下觀察拍照，當最大氣泡直徑接近膜厚的85% -90%時拍照記錄并更換甘油，試樣觀察拍照直至逸出氫不再變化為止。
4.根據(jù)權利要求3所述獲得靜載梯度拉應力下擴散氫動態(tài)分布的方法，其特征在于所述方法還包括步驟五和步驟六，步驟五、擴散氫數(shù)據(jù)處理根據(jù)擴散氫照片，使用圖像分析軟件Matlab統(tǒng)計計算出特定時刻梯形試樣不同位置的氣泡直徑和個數(shù)，換算出各位置的逸出氫數(shù)量，單位為mmVmm2，作圖得到不同時刻的擴散氫分布曲線，把不同時刻同一位置的擴散氫量相加，可作出擴散氫總量分布曲線；步驟六、建立擴散氫含量與應力分布之間對應關系在梯形區(qū)域以中軸線為中心，選擇長IOmm寬3_的微矩形區(qū)，將該矩形區(qū)分成若干橫條，橫條每個單元上的縱向應力相同，加載時可通過有限元計算獲得具體數(shù)值，橫條與橫條之間縱向應力沿中軸線方向呈梯度分布，使用圖像分析軟件統(tǒng)計不同時刻每個橫條上擴散氫數(shù)量；由此可以建立試樣沿中軸線微矩形區(qū)中應力變化與擴散氫之間的定量關系。
全文摘要
獲得靜載梯度拉應力下擴散氫動態(tài)分布的裝置及方法，它涉及一種獲得金屬在靜載梯度拉應力場中擴散氫分布的裝置及方法。為解決目前缺乏簡單直觀研究拉應力與擴散氫分布情況的裝置及方法的問題。裝置方案每個加載塊的上端面和下端面上均開有第一槽和第二槽，第一槽和第二槽均為長方形凹槽，第一槽的長度大于第二槽的長度，第一槽與第二槽沿寬度方向貫通，加載螺栓穿過加載塊且與加載塊螺紋連接；方法方案試樣處理及加載，應力測量，電化學充氫，擴散氫收集。本發(fā)明用于研究金屬在靜態(tài)梯度拉應力條件下，進行電化學充氫以后，擴散氫在應力場中的動態(tài)分布行為。
文檔編號G01N23/00GK102721710SQ20121023379
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權日2012年7月6日
發(fā)明者劉雪松, 張敬強, 方坤, 方洪淵, 楊建國, 王佳杰, 王濤, 董志波, 陳雙建 申請人:哈爾濱工業(yè)大學