技术领域
本发明涉及材料中残余气体分析测试技术领域，尤其是涉及一种测量 精度高的材料形变过程中的氢释放测试装置及测试方法。
背景技术
安全高效储氢、输氢和加氢是氢能规模化利用的关键问题。其中，高 压储氢和加氢具有设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放 速度快等优点，目前绝大多数燃料电池汽车、加氢站、燃料电池电站 等均采用高压（35MPa或70MPa）储氢/加氢方式。然而，在氢气反复充 注与释放的高压氢系统中，由气体引起的应力变化及氢的侵害，会导 致材料性能劣化或构件失效，即氢脆现象。
高压氢环境下金属的氢脆取决于外部环境氢向金属的侵入，其过程包 括：气态运输、物理吸附、氢分子离解、化学吸附、金属中的扩散， 其中室温条件下最慢的氢扩散过程是控制因素。应力应变条件下的氢 传输更能体现材料在承载、变形和开裂状态下的氢传输特性。
日本专利公开号：特开平6-103960，公告日1995年3月6日，公开了一 种变形、破坏时材料中放出微量气体的测试装置，它包括：材料试验 机、真空腔、真空泵、质谱仪等，通过对真空腔内测试试样的加载变 形，利用质谱仪即可测量材料中释放的微量气体。该发明的不足之处 是：真空腔能达到的真空度偏低（10-7帕斯卡），只能测量材料断裂时 的氢释放，难以测量形变过程中微量氢释放；加载杆与真空腔间的密 封通过密封圈来实现,加载杆与密封圈间的摩擦将导致微量气体(主要 包括氢气和甲烷)释放,导致对材料中形变诱发氢释放的测量精度低。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的只能测量材料断裂时的氢释放，难以 测量形变过程中微量氢释放，测量精度低的不足，提供了一种测量精 度高的材料形变过程中的氢释放测试装置及测试方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种材料形变过程中的氢释放测试装置，包括真空腔、设于真空腔内 的支撑架和与真空腔相联通的试样交换腔；真空腔和试样交换腔之间 设有真空插板阀，试样交换腔一侧设有试样交换装置，试样交换腔上 设有密封盖，试样交换腔内设有用于安装到支撑架上的上夹具和下夹 具；所述支撑架上设有用于与上夹具相配合的上夹头；所述真空腔内 设有加载杆，加载杆上端设有与下夹具相配合的下夹头；
真空腔下方设有拉伸加载装置，拉伸加载装置与载荷传感器相连接； 真空腔的下腔壁上设有通孔，加载杆下端依次穿过通孔、波纹管内部 并与载荷传感器相连接；波纹管分别与真空腔的下腔壁及载荷传感器 密封连接；加载杆的外周面与通孔壁间隙配合；
真空腔上设有真空计、质谱仪和离子泵，离子泵内设有钛蒸发吸收泵 ；所述试样交换腔上设有分子泵，分子泵与机械泵相连接；
计算机分别与真空计、质谱仪、载荷传感器和拉伸加载装置电连接。
在通常的真空腔中，90%以上的气体为氢气，即氢分压接近真空腔内部 压力。
相对于真空腔内的背景氢分压，试验过程中氢分压的增加体现为试样 中释放的微量氢。真空腔内的背景氢分压越低，越能准确测量试样中 释放的微量氢，因此需尽量提高系统的真空度。
日本专利（特开平6-103960）装置的真空度只有10-7帕斯卡。10-7帕斯 卡的低真空度会掩盖试样释放氢的部分数据信息，因此，该发明的试 样断裂时出现一氢释放峰，而试样形变过程中未发现氢释放。
本发明的测试装置采用四级真空泵系统，即机械泵、分子泵、钛蒸发 吸收泵和离子泵，最大限度地提高了真空腔内的真空度，在试样拉伸 之前，真空腔内的真空度可达到10-9帕斯卡，因而能测量出材料弹性变 形、屈服、塑性变形阶段的氢释放行为，更好地体现材料形变过程中 氢传输对组织、结构变化的依存关系。
日本专利采用外部加载方式，加载杆与真空腔间的动密封通过 橡胶密封圈来实现。由于橡胶密封圈具有较高的氢穿透性，该密封方 式难以实现高真空。并且加载杆与密封圈间的摩擦将导致微量气体(主 要包括氢气和甲烷)释放,严重影响对试样中形变诱发氢释放的测量精 度。
本发明采用内部拉力加载方式，通过两端设有法兰的波纹管将加载杆 密封在真空腔内，真空腔上设有与上法兰相配合的真空腔法兰，载荷 传感器上设有与下法兰相配合的传感器法兰；真空腔法兰与上法兰之 间设有无氧铜密封圈；传感器法兰与下法兰之间设有无氧铜密封圈。
在拉伸加载装置的作用下，加载杆向下拉伸试样，在拉伸的过程中， 由于波纹管具有弹性，波纹管会产生伸缩变化，但是波纹管承受的载 荷很小，不会放出气体。
因此，本发明既可实现超高真空，又可避免加载杆与真空腔间摩擦导 致的气体释放，有效地提高了测量精度。
作为优选，所述上夹具包括定位块、位于定位块下部的后夹块、与后 夹块相配合的前夹块；后夹块上设有4个螺钉孔，前夹块上设有与后夹 块的螺钉孔相对应的4个螺钉孔；定位块的右侧面上设有竖板，竖板上 设有用于与试样交换装置相配合的螺纹孔；上夹头呈矩形块状，上夹 头的下表面中部设有用于与定位块相配合的开口向下的凹槽，凹槽贯 穿上夹头的左侧面和右侧面之间，凹槽开口处的宽度小于凹槽其它部 位的宽度，竖板的宽度大于凹槽开口处的宽度。
作为优选，所述下夹具包括定位块、位于定位块下部的后夹块、与后 夹块相配合的前夹块；后夹块上设有4个螺钉孔，前夹块上设有与后夹 块的螺钉孔相对应的4个螺钉孔；下夹头的上表面中部设有开口向上的 凹槽，凹槽贯穿下夹头的左侧面和右侧面之间，凹槽开口部位的宽度 小于凹槽其它部位的宽度。
作为优选，所述支撑架包括平板，设于平板上的若干个支撑杆，支撑 杆下端与真空腔的下腔壁相连接；所述平板中部设有竖杆，所述上夹 头位于竖杆下端。
作为优选，所述试样交换装置包括与试样交换腔相连通的不锈钢管、 设于不锈钢管内的导杆、套设于不锈钢管上的磁铁环；导杆的靠近试 样交换腔的一端通过螺纹与上夹具相连接，导杆的远离试样交换腔的 一端设有铁磁性钢棒。
作为优选，所述后夹块的前表面上设有若干个排列的凸条；所述前夹 块的与后夹块相对的表面上设有与凸条相对应的若干个凹槽。
作为优选，波纹管上端通过上法兰与真空腔的下腔壁密封连接，波纹 管下端通过下法兰与载荷传感器密封连接。
一种材料形变过程中的氢释放测试装置的测试方法，包括如下步骤：
（8-1）打开真空插板阀，利用机械泵抽真空10分钟至20分钟；分子泵 开始抽真空，真空计检测真空度，真空度信号输入计算机中；
（8-2）当真空度达到10-4帕斯卡时，在真空腔、试样交换腔、试样交 换装置、离子泵、波纹管及法兰上缠绕电热带，并在电热带外部包裹 铝箔；
（8-3）电热带在150°C至200°C的温度范围内对真空腔、试样交换腔 、试样交换装置、离子泵、波纹管及法兰进行烘烤，烘烤时间为100小 时至150小时；
（8-4）当真空度达到10-5帕斯卡时，停止烘烤，取下铝箔；分别对数 字真空计、离子泵、质谱仪和钛蒸发吸收泵进行除气操作；
（8-5）当真空度达到10-6帕斯卡时，离子泵开始工作，关闭真空插板 阀，关闭分子泵和机械泵；
（8-6）钛蒸发吸收泵开始工作：使金属钛丝预热15分钟，钛蒸发吸收 泵使金属钛丝蒸发1分钟；
（8-7）当钛蒸发吸收泵的工作时间＜64分钟时，重复步骤（8-6）；
关闭钛蒸发吸收泵，真空腔冷却至室温，离子泵继续抽真空；
（8-8）当真空度达到10-9时，打开试样交换腔的密封盖，将试 样安装到上、下夹具上，关闭密封盖；打开机械泵抽真空，10分钟后 打开分子泵，抽真空30分钟至60分钟；
（8-9）打开真空插板阀，使磁铁环沿着不锈钢管向左移动，利用磁环 铁与铁磁性钢棒之间的吸引力带动导杆向真空腔运动，导杆带动上、 下夹具及试样进入真空腔，上夹具的定位块进入上夹头的凹槽内，下 夹具的定位块进入下夹头的凹槽内；
（8-10）当竖板与上、下夹头的右侧面相接触时，停止移动导杆，逆 时针旋转磁铁环，磁铁环带动导杆逆时针旋转，导杆与竖板分离，使 磁铁环沿着不锈钢管向右移动，导杆退出真空腔；关闭真空插板阀， 关闭分子泵和机械泵；
（8-11）质谱仪开始测量氢分压，质谱仪和载荷传感器采集的数据传 输到计算机中；
（8-12）打开计算机的测试程序，在测试程序中选定应变速度，计算 机控制拉伸加载装置按照选定的应变速度对试样进行拉伸操作；
（8-13）当试样断裂后，计算机控制拉伸加载装置停止拉伸操作，质 谱仪继续检测氢分压20分钟至30分钟。
作为优选，所述应变速度为0.1毫米/分钟至0.5毫米/分钟。
本发明具有如下有益效果：（1）既能测量出试样材料弹性变形、屈服 、塑性变形阶段的氢释放行为，又能测量出试样材料断裂时的氢释放 行为；（2）测量精度高；（3）为研究材料形变过程中氢传输对组织 、结构变化的依存关系提供可靠数据基础。
附图说明：
图1是本发明的试样及夹具安装在真空腔内的一种结构示意图；
图2是本发明的上夹头和下夹头的一种结构示意图；
图3是本发明的上夹具和下夹具的一种结构示意图；
图4是本发明的波纹管、载荷传感器、拉伸加载装置的一种结构示意图 ；
图5是本发明的上、下夹头及上、下夹具的一种结构示意图；
图6是本发明的上、下夹头及上、下夹具的另一种结构示意图
图7是本发明的试样的一种结构示意图；
图8是本发明的测试数据图；
图9是本发明的实施例的一种流程图。
图中：真空腔1、支撑架2、试样交换腔3、真空插板阀4、密封盖5、上 夹具6、下夹具7、上夹头8、加载杆9、下夹头10、波纹管11、上法兰 12、下法兰13、载荷传感器14、拉伸加载装置15、真空计16、质谱仪 17、离子泵18、钛蒸发吸收泵19、分子泵20、机械泵21、定位块22、 后夹块23、前夹块24、竖板25、螺纹孔26、凹槽27、平板28、支撑杆 29、竖杆30、不锈钢管31、导杆32、磁铁环33、铁磁性钢棒34、试样 35。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示的实施例是一种材料形变过程中的氢释放测试装置，包括真 空腔1、设于真空腔内的支撑架2和与真空腔相联通的试样交换腔3；真 空腔和试样交换腔之间设有真空插板阀4，试样交换腔一侧设有试样交 换装置相连接，试样交换腔上设有密封盖5，试样交换腔内设有用于安 装到支撑架上的上夹具6和下夹具7；支撑架上设有用于与上夹具相配 合的上夹头8；真空腔内设有加载杆9，加载杆上端设有与下夹具相配 合的下夹头10；
真空腔上设有真空计16、质谱仪17和离子泵18，离子泵内设有钛蒸发 吸收泵19；试样交换腔上设有分子泵20，分子泵与机械泵21相连接；
如图4所示，波纹管11上端通过上法兰12与真空腔法兰密封连接，波纹 管下端通过下法兰13与传感器法兰密封连接，载荷传感器14与拉伸加 载装置15相连接；真空腔的下腔壁上设有通孔，加载杆下端依次穿过 通孔、波纹管内部并与下法兰相连接；加载杆的外周面与通孔壁间隙 配合；
计算机分别与真空计、质谱仪、载荷传感器和拉伸加载装置电连接。
支撑架包括平板28，设于平板上的4个支撑杆29，支撑杆下端 与真空腔的下腔壁相连接；平板中部设有竖杆30，上夹头位于竖杆下 端。
试样交换装置包括与试样交换腔相连通的不锈钢管31、设于不锈钢管 内的导杆32、套设于不锈钢管上的磁铁环33；导杆的靠近试样交换腔 的一端通过螺纹与上夹具相连接，导杆的远离试样交换腔的一端设有 铁磁性钢棒34。
如图3、图5、图6所示，上夹具包括定位块22、位于定位块下部的后夹 块23、与后夹块相配合的前夹块24；后夹块上设有4个螺钉孔，前夹块 上设有与后夹块的螺钉孔相对应的4个螺钉孔；定位块的右侧面上设有 竖板25，竖板上设有用于与试样交换装置相配合的螺纹孔26。
如图2所示，上夹头呈矩形块状，上夹头的下表面中部设有用于与定位 块相配合的开口向下的凹槽27，凹槽贯穿上夹头的左侧面和右侧面之 间，凹槽开口处的宽度小于凹槽其它部位的宽度，竖板的宽度大于凹 槽开口处的宽度。
下夹具包括定位块、位于定位块下部的后夹块、与后夹块相配合的前 夹块；后夹块上设有4个螺钉孔，前夹块上设有与后夹块的螺钉孔相对 应的4个螺钉孔。后夹块的前表面上设有排列的凸条；前夹块的与后夹 块相对的表面上设有与凸条相对应的凹槽。
如图2所示，下夹头的上表面中部设有开口向上的凹槽，凹槽贯穿下夹 头的左侧面和右侧面之间，凹槽开口部位的宽度小于凹槽其它部位的 宽度。
如图9所示，一种材料形变过程中的氢释放测试装置的测试方法，包括 如下步骤：
步骤100，打开真空插板阀，利用机械泵抽真空10分钟至20分钟；分子 泵开始抽真空，真空计检测真空度，真空度信号输入计算机中；
步骤200，当真空度达到10-4帕斯卡时，在真空腔、试样交换腔、试样 交换装置、离子泵、波纹管及法兰上缠绕电热带，并在电热带外部包 裹铝箔；
步骤300，电热带在150°C至200°C的温度范围内对真空腔、试样交换 腔、试样交换装置、离子泵、波纹管及法兰进行烘烤，烘烤时间为10 0小时至150小时；
步骤400，当真空度达到10-5帕斯卡时，停止烘烤，取下铝箔；分别对 数字真空计、离子泵、质谱仪和钛蒸发吸收泵进行除气操作；
步骤500，当真空度达到10-6帕斯卡时，离子泵开始工作，关闭真空插 板阀，关闭分子泵和机械泵；
步骤600，钛蒸发吸收泵开始工作：使金属钛丝预热15分钟，钛蒸发吸 收泵使金属钛丝蒸发1分钟；
步骤700，当钛蒸发吸收泵的工作时间＜64分钟时，重复步骤600；
关闭钛蒸发吸收泵，真空腔冷却至室温，离子泵继续抽真空；
步骤800，当真空度达到10-9时，打开试样交换腔的密封盖，将如图7所 示的试样35安装到上、下夹具上，关闭密封盖；打开机械泵抽真空， 10分钟后打开分子泵，抽真空30分钟至60分钟；
步骤900，打开真空插板阀，使磁铁环沿着不锈钢管向左移动，利用磁 环铁与铁磁性钢棒之间的吸引力带动导杆向真空腔运动，导杆带动上 、下夹具及试样进入真空腔，上夹具的定位块进入上夹头的凹槽内， 下夹具的定位块进入下夹头的凹槽内；
步骤1000，当竖板与上、下夹头的右侧面相接触时，停止移动导杆， 逆时针旋转磁铁环，磁铁环带动导杆逆时针旋转，导杆与竖板分离， 使磁铁环沿着不锈钢管向右移动，导杆退出真空腔；关闭真空插板阀 ，关闭分子泵和机械泵；
步骤1100，质谱仪开始测量氢分压，质谱仪和载荷传感器采集的数据 传输到计算机中；
步骤1200，打开计算机的测试程序，在测试程序中选定应变速度为0. 2毫米/分钟，计算机控制拉伸加载装置按照选定的应变速度对试样进 行拉伸操作；
步骤1300，当试样断裂后，计算机控制拉伸加载装置停止拉伸 操作，质谱仪继续检测氢分压30分钟。
如图8所示，其中a为310S不锈钢试样形变过程中载荷与应变量关系曲 线；其中b为310S不锈钢试样形变诱导氢释放曲线。
在弹性变形阶段，氢分压随载荷的增加而快速增加；达到屈服点时， 氢分压曲线出现一尖峰；进入塑性变形阶段，氢分压随应变量的增加 而逐渐增加，应变量为20%左右，氢分压达到最大值，其后氢分压随应 变量的增加而逐渐降低；直至试样断裂时，氢气释放量急剧增加，形 成一爆发式氢释放峰。
日本专利（特开平6-103960）仅能测量试样断裂时的氢释放现象，不 能体现试样形变过程中的氢传输行为。
本发明测试装置测量的氢释放曲线体现出试样中不同应力、应变条件 下的氢传输特性，尤其是形变导致的试样中位错密度对氢传输行为的 影响，这对深入理解氢传输对高压氢环境下的氢脆现象具有重要意义 。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此 外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对 本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要 求书所限定的范围。
