一种深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置及方法，通过温控箱、充氮除氧回流槽模拟深海环境，通过电解液循环流动模拟深海海水流动状态。同时，利用电化学工作站在线充氢模拟深海氢环境，通过力学试验机和小冲杆夹具施加载荷模拟深海静压力。通过改变充氢电流、充氢时间，考察金属试样在深海模拟环境中的力学性能，根据其断口形貌、屈服强度、强度极限等信息评价材料在深海环境中的劣化程度，本发明专利技术不仅能用于探究深海环境中机械装置服役过程中材料氢致应力开裂的行为，评价深海环境下材料劣化程度，而且能够对深海环境服役装置的微损检测提供有效途径。

A Small Punch Bar Testing Device and Method for Deep-sea Hydrogen-induced Stress Cracking Behavior

The invention discloses a small punch rod testing device and method for deep-sea hydrogen-induced stress cracking behavior. The deep-sea environment is simulated by a temperature control box, a nitrogen-filled deoxygenation reflux tank, and the flow state of deep-sea sea sea water is simulated by electrolyte circulation flow. At the same time, the deep-sea hydrogen environment is simulated by on-line hydrogen charging of electrochemical working station, and the static pressure is simulated by loading on mechanical testing machine and small punch clamp. By changing the hydrogen charging current and time, the mechanical properties of metal specimens in deep-sea simulated environment are investigated. According to the information of fracture morphology, yield strength and strength limit, the deterioration degree of materials in deep-sea environment is evaluated. The present invention can not only be used to investigate the hydrogen-induced stress cracking behavior of materials in the service process of mechanical devices in deep-sea environment, but also to evaluate the inferiority of materials in deep-sea environment. Moreover, it can provide an effective way for the micro-damage detection of deep-sea environmental service devices.

【技术实现步骤摘要】
一种深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置及方法
本专利技术涉及深海环境中金属材料损伤劣化行为和微损检测方法领域，具体是一种模拟深海环境下服役金属材料氢致应力开裂行为的模拟测试装置与工艺。
技术介绍
随着金属矿产需求的攀升，陆地上的一些优质矿藏日渐枯竭，人们纷纷将目光投向深海采矿，特别是那些陆地产出矿砂不容易精炼的情况下。令人寄予厚望的深海矿源主要有三种形态，一种是海底热源，主要源于海底火山活动遗留的裂口；第二种矿源是钴华(一种砷酸盐矿物)，多由海水中的金属自然析出；第三种是应用价值较高的含有多种金属的锰核。为了开发利用这些深海矿产资源，需要依靠能够在深海环境下工作的相关深海作业装备，如探测器、采矿作业机等。由于深海环境的特殊性，如高静压力、较低温度(4℃左右)、含游离氢、低含氧量、低流速等，这些深海作业装备所用金属材料需能适应深海环境。因此，评价金属材料在深海环境中长时间服役后的材料性能变化，对深海作业装置的安全运行及寿命评估具有重要意义；同时也为深海环境服役金属材料的开发设计提供理论依据。深海环境中存在大量的游离氢，其对深海装置的结构损伤和性能劣化具有重要的影响。游离氢产生的主要原因有：(1)深海静水压会使深海装置金属材料腐蚀过程的阴极反应由吸氧反应向析氢反应转变；(2)由于海底黑烟囱等处带来的硫化氢等物质，这利于深海装置金属材料表面产生氢气；(3)深海环境中存在的硫酸盐还原菌等类型的特殊微生物也会利于深海装置金属表面产生氢。深海环境中金属材料的损伤行为与应力腐蚀开裂(StresscorrosionCracking,SCC)和氢致开裂(HydrogenInducedCracking,HIC)均有密切关系，是两者综合作用的结果，即氢致应力开裂(HydrogenInducedStresscracking,HISC。金属材料的HISC与其SCC和HIC既有区别又有联系，三者的逻辑关系如图6所示。在深海环境中，由于深海作业装置承受较高的静水压力及其结构变形的协调性，其金属材料内可能存在较大拉应力，在海水这种特定介质下会发生应力腐蚀。同时，由于深海环境中存在游离氢，金属材料又可能发生氢致开裂。因此，深海环境中深海作业装置的金属材料会受到SCC和HIC两种机理的共同作用，即HISC。因此，设计开发深海环境下服役金属材料的氢致应力开裂行为评价的装置和工艺系统具有重要的意义。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置及方法，通过小冲杆试验可以获得材料的强度、塑性指标，并能与金属材料的常规力学性能进行对比，因此可以用来评价金属材料的力学性能。同时，小冲杆试验是一种微损试验方法，取样方便，对设备损伤小，操作简便，也可以评价深海作业装置在服役一定时期后金属材料的性能劣化情况。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置，包括控制系统、充氮除氧回流槽、力学试验机、温控箱、小冲杆夹具、循环充氢电解槽、放空阀、潜水泵、对电极、参比电极、电化学工作站、工作电极，所述小冲杆夹具安装在温控箱内，所述小冲杆夹具包括上冲头、上夹具、下夹具、下连接杆，所述上夹具底部设置有中心凸台，所述中心凸台设置有凸台通孔，所述上夹具顶部设置有上夹具通孔，所述上夹具通孔与凸台通孔连通。所述下夹具顶部设置有用于放置测试试样的中心凹槽，所述下夹具上设置有电解液流动通孔，所述中心凹槽与电解液流动通孔通过电解液连通孔相连通。所述上夹具的底部与下连接杆固定连接。所述上夹具的顶部与上夹具的底部通过螺栓连接，且所述中心凸台位于中心凹槽内。所述力学试验机顶部的加载杆穿过温控箱与上冲头一端固定连接，且所述上冲头另一端与上夹具相对设置。所述力学试验机底部的加载杆穿过温控箱与下连接杆的一端连接。所述电解液流动通孔一端与充氮除氧回流槽连通，另一端与循环充氢电解槽连通。所述充氮除氧回流槽与循环充氢电解槽连通。所述放空阀安装在电解液流动通孔与循环充氢电解槽连通的管道上。所述循环充氢电解槽内设置隔板，将循环充氢电解槽分为循环室和充氢室。所述潜水泵设置于循环室内，且电解液流动通孔和循环充氢电解槽连通的管道与潜水泵连接。所述对电极、参比电极设置于充氢室内，所述工作电极用于与测试试样连接，且所述对电极、参比电极、工作电极均与电化学工作站连接。所述控制系统分别与力学试验机通信连接。优选的：还包括铜箔垫片，所述铜箔垫片位于中心凹槽内，用于放置测试试样，所述铜箔垫片用于工作电极连接。优选的：所述温控箱设置有观察门。优选的：所述温控箱内腔体内附有保温层。一种深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试方法，包括以下步骤：步骤一，充氢电解液配制步骤二，测试试样装夹及小冲杆夹具的联接步骤：测试试样放置于下夹具顶部中心凹槽内，通过上夹具底部中心凸台压住测试试样，同时保证密封；步骤：联接上夹具与下夹具，两者通过环向分布螺栓实现连接紧固。步骤：下连接杆与下夹具之间通过螺栓联接。步骤：通过变径头与软管分别将电解液流动通孔与循环充氢电解槽、充氮除氧回流槽连接，形成电解液流动回路。步骤：将力学试验机的加载杆从温控箱顶部和底部开孔嵌入，使小冲杆夹具及测试试样置于温控箱内，然后将上冲头和下连接杆通过方向销与力学试验机的加载杆连接，且通过螺纹盘实现与力学试验机的加载杆的紧固。步骤三，电解液的循环流通步骤：将潜水泵固定在循环充氢电解槽的循环室内，将电解液充满循环充氢电解槽的内，并实现循环充氢电解槽的循环室和充氢室的连通。步骤：关闭放空阀，启动潜水泵，使充氢电解液在循环充氢电解槽、充氮除氧回流槽、下夹具上的电解液流动通孔之间流动形成回路。通过调节潜水泵转速，从而改变电解液流速，实现不同流动速度下的电解液充氢。步骤四，在线充氢及小冲杆加载试验步骤：将参比电极、对电极置于循环充氢电解槽的充氢室内，并保证参比电极、对电极接触充氢电解液，并将参比电极、对电极与电化学工作站连接好。同时，将工作电极与测试试样连接。步骤：设定温控箱温度，关闭温控箱观察门，等待温度稳定。步骤：待温度稳定后，启动电化学工作站电源，设定电化学工作站电流，在电解液循环流动的情况下，使电解液通过软管导入下夹具上的电解液流动通孔中，并与测试试样接触，对小冲杆夹具中的测试试样实现单面恒电流充氢。步骤：充氢一定时间后，启动力学试验机，利用控制系统控制力学试验机，实现在恒定加载速率下进行小冲杆试验，记录小冲杆试验加载载荷与变形、时间的关系曲线。步骤：加载试验结束后，首先关停力学试验机，停止加载，然后关闭电化学工作站电源，停止充氢，最后关闭潜水泵，打开放空阀，停止电解液循环流动。步骤：打开小冲杆夹具，取出断裂后测试试样，对加载后测试试样进行系统表征。优选的：电解液为加有充氢添加剂的H2SO4溶液和NaCl溶液，其中H2SO4溶液浓度为0.5mol/L，NaCl溶液浓度为1-5mol/L，H2SO4溶液和NaCl溶液体积配比为4：6。优选的：充氢添加剂为硫脲，硫脲按照10g/L的标准添加，然后将配置好的电解液注满循环充氢电解槽6。优选的：步骤44中为保证测试试样内的氢浓度，在加载的同时继续进行在线充氢，直至测试试样开裂。优选的：测试试样开裂的标志为力学试验机记录的位移-载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置，其特征在于：包括控制系统(1)、充氮除氧回流槽(2)、力学试验机(3)、温控箱(4)、小冲杆夹具(5)、循环充氢电解槽(6)、放空阀(7)、潜水泵(8)、对电极(10)、参比电极(11)、电化学工作站(12)、工作电极(13)，所述小冲杆夹具(5)安装在温控箱(4)内，所述小冲杆夹具(5)包括上冲头(51)、上夹具(52)、下夹具(53)、下连接杆(54)，所述上夹具(52)底部设置有中心凸台(521)，所述中心凸台(521)设置有凸台通孔(523)，所述上夹具(52)顶部设置有上夹具通孔(522)，所述上夹具通孔(522)与凸台通孔(523)连通；所述下夹具(53)顶部设置有用于放置测试试样的中心凹槽(531)，所述下夹具(53)上设置有电解液流动通孔(532)，所述中心凹槽(531)与电解液流动通孔(532)通过电解液连通孔(533)相连通；所述上夹具(52)的底部与下连接杆(54)固定连接；所述上夹具(52)的顶部与上夹具(52)的底部通过螺栓连接，且所述中心凸台(521)位于中心凹槽(531)内；所述力学试验机(3)顶部的加载杆穿过温控箱(4)与上冲头(51)一端固定连接，且所述上冲头(51)另一端与上夹具(52)相对设置；所述力学试验机(3)底部的加载杆穿过温控箱(4)与下连接杆(54)的一端连接；所述电解液流动通孔(532)一端与充氮除氧回流槽(2)连通，另一端与循环充氢电解槽(6)连通；所述充氮除氧回流槽(2)与循环充氢电解槽(6)连通；所述放空阀(7)安装在电解液流动通孔(532)与循环充氢电解槽(6)连通的管道上；所述循环充氢电解槽(6)内设置隔板(9)，将循环充氢电解槽(6)分为循环室和充氢室；所述潜水泵(8)设置于循环室内，且电解液流动通孔(532)和循环充氢电解槽(6)连通的管道与潜水泵(8)连接；所述对电极(10)、参比电极(11)设置于充氢室内，所述工作电极(13)用于与测试试样连接，且所述对电极(10)、参比电极(11)、工作电极(13)均与电化学工作站(12)连接；所述控制系统(1)分别与力学试验机(3)通信连接。...

【技术特征摘要】
1.一种深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置，其特征在于：包括控制系统(1)、充氮除氧回流槽(2)、力学试验机(3)、温控箱(4)、小冲杆夹具(5)、循环充氢电解槽(6)、放空阀(7)、潜水泵(8)、对电极(10)、参比电极(11)、电化学工作站(12)、工作电极(13)，所述小冲杆夹具(5)安装在温控箱(4)内，所述小冲杆夹具(5)包括上冲头(51)、上夹具(52)、下夹具(53)、下连接杆(54)，所述上夹具(52)底部设置有中心凸台(521)，所述中心凸台(521)设置有凸台通孔(523)，所述上夹具(52)顶部设置有上夹具通孔(522)，所述上夹具通孔(522)与凸台通孔(523)连通；所述下夹具(53)顶部设置有用于放置测试试样的中心凹槽(531)，所述下夹具(53)上设置有电解液流动通孔(532)，所述中心凹槽(531)与电解液流动通孔(532)通过电解液连通孔(533)相连通；所述上夹具(52)的底部与下连接杆(54)固定连接；所述上夹具(52)的顶部与上夹具(52)的底部通过螺栓连接，且所述中心凸台(521)位于中心凹槽(531)内；所述力学试验机(3)顶部的加载杆穿过温控箱(4)与上冲头(51)一端固定连接，且所述上冲头(51)另一端与上夹具(52)相对设置；所述力学试验机(3)底部的加载杆穿过温控箱(4)与下连接杆(54)的一端连接；所述电解液流动通孔(532)一端与充氮除氧回流槽(2)连通，另一端与循环充氢电解槽(6)连通；所述充氮除氧回流槽(2)与循环充氢电解槽(6)连通；所述放空阀(7)安装在电解液流动通孔(532)与循环充氢电解槽(6)连通的管道上；所述循环充氢电解槽(6)内设置隔板(9)，将循环充氢电解槽(6)分为循环室和充氢室；所述潜水泵(8)设置于循环室内，且电解液流动通孔(532)和循环充氢电解槽(6)连通的管道与潜水泵(8)连接；所述对电极(10)、参比电极(11)设置于充氢室内，所述工作电极(13)用于与测试试样连接，且所述对电极(10)、参比电极(11)、工作电极(13)均与电化学工作站(12)连接；所述控制系统(1)分别与力学试验机(3)通信连接。2.根据权利要求1所述深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置，其特征在于：还包括铜箔垫片，所述铜箔垫片位于中心凹槽(531)内，用于放置测试试样，所述铜箔垫片用于工作电极(13)连接。3.根据权利要求1所述深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置，其特征在于：所述温控箱(4)设置有观察门；所述温控箱(4)内腔体内附有保温层。4.根据权利要求1所述深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置，其特征在于：所述充氮除氧回流槽(2)的进液口高于小冲杆夹具(5)中的测试试样位置。5.根据权利要求1所述深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置，其特征在于：所述小冲杆夹具(5)上凃镀18Cr-9Ni阻氢涂层。6.一种基于权利要求1所述深海氢致应力开裂行为的小冲杆测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，充氢电解液配制步骤二，测试试样装夹及小冲杆夹具的联接步骤21：测试试样放置于下夹具(53)顶部中心凹槽...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱荣涛，王贤，王香，杨胜辉，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32