拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置及其使用方法

本发明涉及金属材料分析测试领域，尤其涉及拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置及其使用方法。

背景技术：

1、金属材料服役通常是在复杂的服役环境中，例如力学环境和化学环境的耦合。在致氢环境和拉应力条件下，金属材料内部的氢原子扩散，会导致金属材料部件发生氢脆失效，造成安全事故和经济损失。氢脆现象广发于高强钢、镍基合金、钛合金等新型材料中，这些新型材料被大量用于储氢罐、输氢管道、航空航天发动机关键部件、海洋工程装备中。为了高强钢、镍基合金、钛合金等新型材料的服役安全，有必要对氢脆的发生过程进行深入研究。因此，研究模拟实际工况下的氢扩散过程对于理解氢原子的扩散过程和氢脆发生机制非常重要。在金属材料的加工制造和使用过程中，裂纹的出现不可避免。材料失效也与裂纹息息相关，从萌生裂纹到裂纹扩展，进而发生材料失效。研究掌握裂纹萌生和扩展的过程，可以随时监测工件的性能，预测零件寿命，在保障安全的同时降低成本。此外，通过分析存在的微裂纹萌芽可以推断出材料在不同环境下发生断裂的机制，通过优化材料微观结构而减少裂纹萌芽，为进一步优化材料性能提供方向。再次，通过观察微观结构上裂纹的扩展形式（沿晶/穿晶）,可以更好的了解材料在微观层面的韧脆性，充氢条件下原位观察材料的裂纹扩展为研究材料的氢致韧脆性转变提供了直接证据。

2、中国发明专利授权公告号?cn112114168b公开了一种应力与渗氢条件下金属表面电势原位测试装置及方法，装置包括应力加载机构、渗氢机构和表面电势测量机构，应力加载机构包括基座、试样、压头、螺母和千分表，试样、压头和螺母均设置在基座内；表面电势测量机构包括kpfm测试系统、开尔文探针和样品台，开尔文探针与kpfm测试系统相连，开尔文探针用于对试样表面电势检测，试样通过导线与样品台相连；渗氢机构包括电化学工作站、充氢槽、充氢溶液、辅助电极和参比电极，充氢槽置于样品台上，基座置于充氢槽中。该装置只能用于测量压应力与渗氢条件下的金属表面电势测试，且只能测试平板类机构的保持干燥的一面，无法实现全尺寸的测量，更无法测量裂纹情况。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是现有的金属材料在拉应力和渗氢条件下金属表面裂纹无法准确快速测量，为此提供一种拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置及其使用方法。

2、本发明的技术方案是：拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置，包括：拉伸应力加载?？?、氢扩散?？楹捅砻娴缡圃徊饬磕？?，所述拉伸应力加载?？榘ǎ豪烨榧?；拉伸夹头，所述拉伸夹头包括分别与试样两端连接的活动拉伸夹头和固定拉伸夹头，所述活动拉伸夹头由拉伸驱动组件驱动对试样进行拉伸；拉力传感器，所述拉力传感器用于感应拉力大小且反馈给拉伸驱动组件；所述氢扩散?？榘ǖ缁Чぷ髡竞偷缁С?，所述拉伸夹头位于电化学池内，所述电化学池的侧壁开设有进液口和出液口；所述表面电势原位测量?？榘ㄉ烊氲缁С氐目奶秸?、开尔文探针显微镜测试系统、用于承载电化学池的样品台和光学显微定位系统。

3、上述方案中所述拉伸夹头包括用于容纳试样端头的凹槽、用于压住试样端头的压盖和限位柱。

4、上述方案的改进是所述拉伸应力加载?？榛拱ㄓ糜诳刂评Υ笮〉目刂葡?。

5、上述方案中所述电化学池池体材料采用聚醚醚酮。

6、上述方案中所述氢扩散?？椴捎萌缂逑?，所述试样是工作电极，参比电极及对电极由电化学池的顶盖插入，所述电化学工作站连接三电极。

7、上述方案中所述拉伸应力加载?？楹颓饫┥⒛？榧稍诘鬃?。

8、拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置的使用方法，包括以下步骤：拉伸应力加载?？槎允匝┘佑αΣ⒓锹加ατΡ淝?，电化学工作站对试样施加电压、实现充氢过程，并调控电压并记录电化学信息的变化过程，表面电势原位测量?？槎匝肥凳┍砻娴缡撇饬?，表面电势差异明显的地方是裂纹区域，分析得到氢原子、裂纹在样品表面的分布变化情况。

9、本发明的有益效果是拉应力与渗氢条件下通过表面电势原位测量?？槔床獾昧盐谱刺?，快速精确，且更好的在较长的时间窗口内观察裂纹生长情况并预测裂纹分布及变化情况。

技术特征：

1.拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置，其特征是：包括：拉伸应力加载?？?、氢扩散?？椋?4）和表面电势原位测量?？?，所述拉伸应力加载?？榘ǎ豪烨榧?）；拉伸夹头，所述拉伸夹头包括分别与试样（7）两端连接的活动拉伸夹头（4）和固定拉伸夹头（5），所述活动拉伸夹头由拉伸驱动组件驱动对试样进行拉伸；拉力传感器（2），所述拉力传感器用于感应拉力大小且反馈给拉伸驱动组件；所述氢扩散?？榘ǖ缁Чぷ髡竞偷缁С?，所述拉伸夹头位于电化学池内，所述电化学池的侧壁开设有进液口（12）和出液口（13）；所述表面电势原位测量?？榘ㄉ烊氲缁С氐目奶秸耄?5）、开尔文探针显微镜测试系统、用于承载电化学池的样品台（16）和光学显微定位系统（17）。

2.如权利要求1所述的拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置，其特征是：所述拉伸夹头包括用于容纳试样端头的凹槽（9）、用于压住试样端头的压盖（10）和限位柱（11）。

3.如权利要求1所述的拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置，其特征是：所述拉伸应力加载?？榛拱ㄓ糜诳刂评Υ笮〉目刂葡洌?）。

4.如权利要求1所述的拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置，其特征是：所述电化学池池体材料采用聚醚醚酮。

5.如权利要求1所述的拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置，其特征是：所述氢扩散?？椴捎萌缂逑?，所述试样是工作电极，参比电极及对电极由电化学池的顶盖插入，所述电化学工作站连接三电极。

6.如权利要求1所述的拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置，其特征是：所述拉伸应力加载?？楹颓饫┥⒛？榧稍诘鬃?）上。

7.如权利要求1-6任一所述的拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置的使用方法，其特征是：包括以下步骤：拉伸应力加载?？槎允匝┘佑αΣ⒓锹加ατΡ淝?，电化学工作站对试样施加电压、实现充氢过程，并调控电压且记录电化学信息的变化过程，表面电势原位测量?？槎匝肥凳┍砻娴缡撇饬?，表面电势差异明显的地方是裂纹区域，分析得到氢原子、裂纹在样品表面的分布变化情况。

技术总结
本发明公开了拉应力与渗氢条件下金属表面裂纹测试装置及其使用方法，包括：拉伸应力加载?？?、氢扩散?？楹捅砻娴缡圃徊饬磕？?，所述拉伸应力加载?？榘ǎ豪烨榧?；拉伸夹头；拉力传感器，所述拉力传感器用于感应拉力大小且反馈给拉伸驱动组件的控制箱；所述氢扩散?？榘òǖ缁Чぷ髡竞偷缁С?，所述拉伸夹头位于电化学池内；所述表面电势原位测量?？榘ㄉ烊氲缁С氐目奶秸?、开尔文探针显微镜测试系统、用于承载电化学池的样品台和光学显微定位系统。本发明的有益效果是拉应力与渗氢条件下通过表面电势原位测量?？槔床獾昧盐谱刺?，快速精确，且更好的在较长的时间窗口内观察裂纹生长情况并预测裂纹分布及变化情况。

技术研发人员：赖宇明,金莹,郑仕,李文超,张宏博,秦诣,陈淑荟
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6