1.本发明属于氢气环境下金属材料损伤劣化行为和微损检测方法技术领域，具体涉及一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置及试验方法。
背景技术：2.氢能是增强能源时空配置能力的一种有效途径，发展氢能是我国实现双碳目标的必由之路。氢是一种非常活泼的元素，材料在氢气环境下容易发生氢致开裂行为，因此有必要对材料在氢气环境下的性能进行试验评估和研究。但实现标准力学性能试验和氢气的耦合是一件充满危险和挑战的难题。
3.小冲杆试验法属于微试样测试技术的一种，起源于上世纪八十年代，它具有无损和取样两种优势，可以从在役设备中取得微小尺寸的试样而无需对设备进行修补。利用所取得的试样获得材料的各种性能参数，是一种具有广阔前景的微型试样技术，已经可以用于测强度性能参数、冲击性能参数及断裂性能参数。但现有的小冲杆试验装置存在氢逃逸现象，不仅会影响试验的准确性，还是导致危险性升高。
4.cn203178129u公开了一种小冲杆在线充氢试验装置，包括筒体、第一夹具、第二夹具及压杆。第一夹具设置在筒体中；第二夹具与第一夹具相配合以夹持试样，其设置在筒体中，第二夹具上贯通有内孔及用于安装导线的导线孔；压杆的一端可活动地设置在下夹具的内孔中。该装置中，试验设备整体位于筒体内，氢气逸出时易造成危险。
5.cn109813594a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。该小冲杆测试装置结构较为复杂，成本较高。
6.综上所述，提供一种结构简单，安全性能高的小冲杆试验装置具有十分重要的意义。
技术实现要素：7.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置及试验方法，所述小冲杆试验装置通过对整体结构的优化设计，避免了氢气逃逸的现象，极大地提升了试验的安全性，有利于应用。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置，所述小冲杆试验装置包括存储单元、夹层真空单元、夹装试验单元及排气单元；
10.所述夹装试验单元设置于所述排气单元的内部；
11.所述存储单元、夹层真空单元以及夹装试验单元依次相连。
12.本发明中，所述小冲杆试验装置通过夹层真空单元以及排气单元的设置，可以有效阻止氢气在流动过程中发生逃逸，加大地降低了试验的危险性，提高了操作人员的安全性，有利于推广应用。
13.以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
14.作为本发明优选的技术方案，所述存储单元包括氢气存储罐。
15.作为本发明优选的技术方案，所述夹层真空单元包括带有真空夹层的氢气输送管。
16.作为本发明优选的技术方案，所述夹装试验单元包括第一夹具，以及与所述第一夹相配合以夹持试样的第二夹具。
17.所述第一夹具和所述第二夹具上分别独立地设置有贯通的内孔。
18.所述第一夹具的内孔中设置有冲杆，所述第二夹具的内孔中设置有位移传感器。
19.作为本发明优选的技术方案，所述第一夹具的下表面还设置有与内孔同轴的环状凹槽。
20.优选地，所述环状凹槽内侧凸起的凸出高度小于所述环状凹槽外侧凸起的凸出高度。
21.优选地，所述第一夹具上还设置有贯通所述环状凹槽的通孔，用于容纳氢气输送管。
22.作为本发明优选的技术方案，所述第二夹具的上表面设置有与内孔同轴的容置槽，所述容置槽与所述环状凹槽内侧凸起相配和，用于夹持试样。
23.优选地，所述第二夹具上表面的最外侧还设置有装配槽，与所述环状凹槽外侧凸起相配和。
24.作为本发明优选的技术方案，所述第一夹具与所述第二夹具装配后，所述第一夹具的环状凹槽与所述第二夹具的上表面形成充气空间。
25.本发明中，夹装试验单元结构的优化可提高小冲杆试样的充氢效率，降低氢气的使用量，从根本上保证试验安全。
26.第二方面，本发明还提供了一种采用第一方面所述的小冲杆试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：
27.(1)制备试样，并将其安装于夹装试验单元内；
28.(2)同时启动夹层真空单元和排气单元，然后将存储单元内的氢气通过夹层真空单元输送至夹装试验单元，对试样进行浸泡；
29.(3)浸泡后进行冲压试验，记录载荷与位移的关系曲线，根据关系曲线以及小冲杆试验经验公式，获得抗拉应力和屈服应力；
30.(4)试验完毕后，取出试样，进行系统表征。
31.本发明中，开启夹层真空单元后，可使氢气管道的真空夹层处于真空绝热状态，以阻止氢气在氢气管道中流动时吸收外界热量以及发生逃逸行为。排气单元的持续开启可将装置中的气体排出到室外。
32.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述试样的直径为9-11mm，例如9mm、9.5mm、10mm、10.5mm或11mm等；厚度为0.4-0.6mm，例如0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm或0.6mm等，上
述数值的选择并不仅限于所列举的数值，在各自的数值范围内其他未列举的数值同样适用。
33.本发明所述的小冲杆试验装置，通过夹具结构的优化设计，可用于尺寸极小的试样尺寸，进一步降低了取样时对待测设备的损伤，且试验时，所需氢气容量极少，安全性高。
34.优选地，步骤(2)所述浸泡的时间为1-24h，例如1h、2h、4h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
35.作为本发明优选的技术方案，步骤(3)更具体的操作包括：控制冲杆以0.2-0.5mm/min的速率对试样进行冲压，实时记录载荷数据与位移数据，绘制关系曲线，根据所述关系曲线获得最大载荷pm和屈服载荷py，再结合小冲杆试验经验公式，计算出抗拉应力与屈服应力，其中，冲压速率可以为0.2mm/min、0.3mm/min、0.4mm/min或0.5mm/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
36.试验过程中通过夹装试验单元的载荷传感器实时记录载荷数据，通过位于试样下表面中心位置的位移传感器实时记录位移数据。小冲杆试验经验公式包括：
37.屈服强度：
38.抗拉强度：
39.其中，pm为最大载荷，py为屈服载荷，t为试样厚度，a、b、c为材料相关的系数，通过试验标定可以确定。
40.获得最大载荷pm和屈服载荷py后，根据氢气环境下服役设备的设计要求，即可对试验获得的材料在氢气环境下的抗拉应力和屈服应力等进行评估。
41.优选地，步骤(4)系统表征包括：对试验后的试样进行显微镜观察，分析材料的氢致开裂行为。
42.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
43.(1)本发明所述小冲杆试验装置通过夹层真空单元以及排气单元的设计，避免了氢气逃逸的现象，极大地提升了试验的安全性；进一步地，通过夹具的设计优化，可针对尺寸极小样品进行测试，降低了对待测设备的损伤；
44.(2)使用本发明所述小冲杆试验装置进行的试验，可以实现在氢气环境下材料的性能进行评估，研究材料在氢气环境下的氢致开裂行为，结果精确，为设计和选材等提供依据。
附图说明
45.图1是本发明具体实施方式提供的一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置的剖面结构示意图。
46.图2是本发明具体实施方式提供的一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置中，第一夹具的剖面结构示意图。
47.图3是本发明具体实施方式提供的一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置中，第二夹具的剖面结构示意图。
48.图4是本发明实施例1提供的一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验方法中，载荷位移曲线图。
49.图5是本发明实施例1提供的一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验方法中，根据载荷位移曲线图确定最大载荷pm的方法图。
50.图6是本发明实施例1提供的一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验方法中，根据载荷位移曲线图确定屈服载荷py的方法图。
51.图7是本发明实施例1提供的一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验方法中，氢致试样脆性断口特征的sem图。
52.其中，1-存储单元1，2-夹层真空单元，3-夹装试验单元，31-第一夹具，311-环状凹槽，312-内侧凸起，313-外侧凸起，314-通孔，32-第二夹具，321-容置槽，322-装配槽，33-冲杆，34-位移传感器，35-充气空间，4-排气单元，5-试样。
具体实施方式
53.为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
54.在一个具体实施例方式中，本发明提供了一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置，所述小冲杆试验装置的剖面示意图如图1所示；
55.所述小冲杆试验装置包括存储单元1、夹层真空单元2、夹装试验单元3及排气单元4；
56.所述夹装试验单元3设置于所述排气单元4的内部；
57.所述存储单元1、夹层真空单元2以及夹装试验单元3依次相连。
58.进一步地，所述存储单元1包括氢气存储罐。
59.进一步地，所述夹层真空单元2包括带有真空夹层的氢气输送管。
60.进一步地，所述夹装试验单元3包括第一夹具31，以及与所述第一夹相配合以夹持试样5的第二夹具32；所述第一夹具31和所述第二夹具32上分别独立地设置有贯通的内孔；所述第一夹具31的内孔中设置有冲杆33，所述第二夹具32的内孔中设置有位移传感器34。
61.进一步地，所述第一夹具31的下表面还设置有与内孔同轴的环状凹槽311；所述环状凹槽311内侧凸起312的凸出高度小于所述环状凹槽311外侧凸起313的凸出高度；所述第一夹具31上还设置有贯通所述环状凹槽311的通孔314。
62.进一步地，所述第二夹具32的上表面设置有与内孔同轴的容置槽321，所述容置槽321与所述环状凹槽311内侧凸起312相配和，用于夹持试样5；所述第二夹具32上表面的最外侧还设置有装配槽322，与所述环状凹槽311外侧凸起313相配和。
63.进一步地，所述第一夹具31与所述第二夹具32装配后，所述第一夹具31的环状凹槽311与所述第二夹具32的上表面形成充气空间35。
64.其中，第一夹具31的剖面结构示意图如图2所示，第二夹具32的剖面结构示意图如图3所示。
65.以下为本发明典型但非限制性实施例：
66.实施例1：
67.本实施例提供了一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置及试验方法，所述小冲杆试验装置与具体实施方式中的装置相同。
68.所述试验方法包括以下步骤：
69.(1)取得p92材料，制备直径为10mm，厚度为0.5mm的试样5，并将其放置于第二夹具32的容置槽321内，然后将第一夹具31与第二夹具32装配好；
70.(2)同时启动夹层真空单元2和排气单元4，然后将氢气存储罐内的氢气通过带有真空夹层的氢气输送管输送至第一夹具31与第二夹具32形成的充气空间35内，对试样5进行浸泡；
71.(3)浸泡1h后，控制冲杆33以0.2mm/min的速率对试样5进行冲压，实时记录载荷数据与位移数据，绘制关系曲线，所得载荷位移曲线如图4所示；
72.根据载荷位移曲线获得最大载荷pm＝1225n，屈服载荷py＝210n，其中，确定最大载荷pm的方法如图5所示，确定屈服载荷py的方法如图6所示；
73.再结合小冲杆试验经验公式，计算出充氢后p92材料的抗拉强度为490.3mpa，屈服强度为295.68mpa，相比于p92材料原始状态665mpa的抗拉强度和505mpa的屈服强度，材料的力学性能因为充氢过程产生了显著下降；
74.具体的计算过程如下：
75.屈服强度：
76.抗拉强度：
77.(4)试验完毕后，取出试样5，进行显微镜观察，分析材料的氢致开裂行为：采用扫描电镜对试样5的断口位置进行了观察，如图7所示。在断口上观察到图7所示的沿晶断裂特征，表明充氢过程改变了材料的失效方式，使得材料由韧性断裂行为改变为脆性断裂行为。
78.综合上述实施例可以看出，本发明所述小冲杆试验装置通过夹层真空单元以及排气单元的设计，避免了氢气逃逸的现象，极大地提升了试验的安全性；并通过夹具的设计优化，可针对尺寸极小样品进行测试，降低了对待测设备的损伤；本发明所述小冲杆试验方法，可以实现在氢气环境下材料的性能进行评估，研究材料在氢气环境下的氢致开裂行为，结果精确，为设计和选材等提供依据。
79.本发明通过上述实施例来说明本发明的装置和详细方法，但本发明并不局限于上述装置和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述装置和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
技术特征：1.一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置，其特征在于，所述小冲杆试验装置包括存储单元、夹层真空单元、夹装试验单元及排气单元；所述夹装试验单元设置于所述排气单元的内部；所述存储单元、夹层真空单元以及夹装试验单元依次相连。2.根据权利要求1所述的小冲杆试验装置，其特征在于，所述存储单元包括氢气存储罐。3.根据权利要求1或2所述的小冲杆试验装置，其特征在于，所述夹层真空单元包括带有真空夹层的氢气输送管。4.根据权利要求1-3任一项所述的小冲杆试验装置，其特征在于，所述夹装试验单元包括第一夹具，以及与所述第一夹相配合以夹持试样的第二夹具；所述第一夹具和所述第二夹具上分别独立地设置有贯通的内孔；所述第一夹具的内孔中设置有冲杆，所述第二夹具的内孔中设置有位移传感器。5.根据权利要求4所述的小冲杆试验装置，其特征在于，所述第一夹具的下表面还设置有与内孔同轴的环状凹槽；优选地，所述环状凹槽内侧凸起的凸出高度小于所述环状凹槽外侧凸起的凸出高度；优选地，所述第一夹具上还设置有贯通所述环状凹槽的通孔。6.根据权利要求5所述的小冲杆试验装置，其特征在于，所述第二夹具的上表面设置有与内孔同轴的容置槽，所述容置槽与所述环状凹槽内侧凸起相配和，用于夹持试样；优选地，所述第二夹具上表面的最外侧还设置有装配槽，与所述环状凹槽外侧凸起相配和。7.根据权利要求6所述的小冲杆试验装置，其特征在于，所述第一夹具与所述第二夹具装配后，所述第一夹具的环状凹槽与所述第二夹具的上表面形成充气空间。8.一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验方法，其特征在于，所述试验方法采用如权利要求1-7任一项所述的小冲杆试验装置进行，所述试验方法包括以下步骤：(1)制备试样，并将其安装于夹装试验单元内；(2)同时启动夹层真空单元和排气单元，然后将存储单元内的氢气通过夹层真空单元输送至夹装试验单元，对试样进行浸泡；(3)浸泡后进行冲压试验，记录载荷与位移的关系曲线，根据关系曲线以及小冲杆试验经验公式，获得抗拉应力和屈服应力；(4)试验完毕后，取出试样，进行系统表征。9.根据权利要求8所述的小冲杆试验方法，其特征在于，步骤(1)所述试样的直径为9-11mm，厚度为0.4-0.6mm；优选地，步骤(2)所述浸泡的时间为1-24h。10.根据权利要求8或9所述的小冲杆试验方法，其特征在于，步骤(3)更具体的操作包括：控制冲杆以0.2-0.5mm/min的速率对试样进行冲压，实时记录载荷数据与位移数据，绘制关系曲线，根据所述关系曲线获得最大载荷p
m
和屈服载荷p
y
，再结合小冲杆试验经验公式，计算出抗拉应力与屈服应力；优选地，步骤(4)系统表征包括：对试验后的试样进行显微镜观察。
技术总结本发明提供了一种评估氢气环境下材料性能的小冲杆试验装置及试验方法，所述小冲杆试验装置包括存储单元、夹层真空单元、夹装试验单元及排气单元；所述夹装试验单元设置于所述排气单元的内部；所述存储单元、夹层真空单元以及夹装试验单元依次相连；所述小冲杆试验装置通过夹层真空单元以及排气单元的设计，避免了氢气逃逸的现象，极大地提升了试验的安全性；进一步地，通过夹具的设计优化，可针对尺寸极小样品进行测试，降低了对待测设备的损伤，且试验时，所需氢气容量极少，安全性高，所述试验方法可以实现在氢气环境下材料的性能进行评估，研究材料在氢气环境下的氢致开裂行为，结果精确，具有较好的应用前景。具有较好的应用前景。具有较好的应用前景。
技术研发人员：侍克献 杨昌顺 符锐 田根起 张作贵 倪一帆 王峥 王延峰
受保护的技术使用者：上海发电设备成套设计研究院有限责任公司
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1
