高压氢环境用电阻应变片的研究

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在高压氢环境下,由于氢的侵入使材料的性能劣化、使用寿命降低,引发爆炸事故,威胁生命财产安全,造成巨大的经济损失。需要用应变片测量承载在高压氢环境中的应力应变状态。因此,高压氢环境用电阻应变片的研发对氢环境中承载件的服役安全性具有非常重要的意义。本文以康铜和铁铬铝合金为敏感栅材料制作的应变片为研究对象。利用XRD、EDS测试手段对两种材料的相结构和成分进行表征和分析;利用纳米压痕仪分析两种合金在充氢前后弹性模量和硬度等力学性能的变化情况;采用升温热脱附(TDS)方法测量氢在两种材料中的溶解度;利用氢渗透试验计算两种材料的氢扩散系数;最后利用应变仪测量两种应变片在不同氢压下的零点漂移情况和在恒载荷8MPa氢环境下的蠕变情况。得出以下几个主要结论:(1)充氢后两种材料的弹性模量都有所改变,其中康铜合金由142.67GPa变为114.71GPa,减小了约19.6%,铁铬铝由192.35GPa变为219.39GPa增加了约14.1%;充氢后康铜合金的硬度由2.95GPa变为2.78GPa减小了5.8%,铁铬铝由3.62GPa变为3.86GPa增加了6.6%;并且充氢后两种材料的压痕蠕变都变大,但康铜的蠕变变化要大于铁铬铝。(2)铁铬铝合金的氢溶解度为1.55wt.ppm,而康铜合金为40wt.ppm远大于铁铬铝;然而康铜合金的氢扩散系数为7.4×10-8mm2/s要小于铁铬铝,铁铬铝约为4.1×10-7mm2/s。(4)两种应变片随着氢压的增加漂移量也跟着增加,但康铜应变片的漂移量远大于铁铬铝。在2MPa、4MPa、8MPa环境下,康铜应变片的漂移值约为-517.25με、-697.40με、-831.84με;铁铬铝应变片的漂移值分别为2.0με、4.01με、5.20με。(5)在8MPa、恒载下康铜应变片的蠕变量也要远大于铁铬铝。两种应变片的蠕变值分别约为:康铜-915.45με、铁铬铝4.45με。(6)在高压氢环境下,和康铜应变片相比,铁铬铝应变片的测量结果更稳定、更可靠、更准确。因此铁铬铝应变片更适合于高压氢环境下使用。
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