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氢脆测试标准-美国测试与材料学会(ASTM)

更新时间:2023-11-4 1:52:24 浏览量:
1、 ASTM G142-98和G129-00
ASTM G-129 和 G-142中概述的测试程序和试样制备通常被用作慢应变速率(SSR)测试下HE敏感性的材料筛选方法。这些测试方法也可用于评估材料在特定氢气压力和温度条件下的成分、加工参数和热处理的影响。
2、ASTM F1459-06通过将样品暴露在高压气态氢中,这种圆盘破裂技术被应用于量化不同金属和合金对氢脆(HE)的敏感性水平。破裂压力应用于氢气(PH2)中的薄样品盘,并参照惰性气体(如氦气(PHe))。PHe/PH2比值大于1表明材料可能易受HE影响;当比值在1和2之间时,HE很可能在长时间接触氢后发生。比值大于2表明氢脆(HE)敏感性高。该标准表明了在气态氢中预期的机械性能退化的相对严重程度。
由于实验设置相对简单,ASTM F1459-06适用于评估高压系统中使用的一系列金属和合金。然而,它是为室温测试而设计的。因此,温度的影响必须单独评估,或者该标准应适用于高温测试。
3、ASTM G142-98
本标准可靠地估计材料暴露在氢环境中对强度和延展性损失的敏感性。与ASTM F1459-06相比,ASTM G142-98是专为比较测试而设计的,该测试将光滑或有缺口的样品暴露在高压和/或高温下的气体,含H2的环境中,同时在单轴拉伸下被拉至失效。同样的条件适用于在非氢气氛中作为对照的测试样品。标准机械性能,如屈服强度,极限抗拉强度,面积收缩率或伸长率,在每个测试条件下的样品进行比较。该标准的实验设置比ASTM F1459-06更复杂,包括配备金属测试单元的高温/压力高压灭菌器。虽然这些测试的结果可用于评估材料成分、环境和加工参数(温度、压力)的影响,但结果可能不适用于暴露在实际工业操作条件下的样品。当本标准用于评估钢的高温氢脆(HE)侵蚀时,在测试之前需要在测试条件下适当的暴露时间,以允许内部起泡,脱碳和开裂的发展。
4、ASTM G129-00
本标准包括金属材料在各种环境加工条件下抗环境辅助开裂(EAC)的加速试验。通过在试样的缺口尖端或裂纹尖端施加动态应变来加速EAC的启动。该方法还包括一个测试单元放置在一个高压釜受控大气在大气压力和温度。该测试将暴露在不受EAC影响的控制环境中的材料与处于确定对EAC抗性的环境中的材料进行比较。在这两种环境中,SSR都是通过外部手段施加在单轴拉伸试样的规范截面或缺口尖端或疲劳预裂试样的裂纹尖端上的缓慢增加的应变。
由于本试验的加速特性,它不打算代表工业条件下的使用性能。其主要目的是比较评价冶金和环境变量对已知环境开裂问题敏感性的影响,并检测环境与材料的相互作用。SSR测试及衍生数据也应结合服务经验、长期EAC数据或两者结合使用,或通过文献来源获得,或使用其他测试方法进行额外测试。
5、ASTM F1624-12
该标准可用于快速评估加工过程中残余氢的影响,或量化材料在一组固定的充氢条件下的相对敏感性。该方法测量了不同几何形状试样在不同环境条件下产生亚临界裂纹的荷载。阈值应力可以通过逐渐降低加载速率来确定。ASTM F1624-12在空气中进行,以测量由于加工(内部氢脆)而在钢中残余氢的影响,或在受控环境中评估从外部来源引入钢中的氢的影响。
因此,只有在测试条件能够再现工业条件的情况下,它才有可能用于评估长期暴露于工业含氢大气中的材料,或评估氢与其他材料的相互作用。
6、ASTM E1681-03

与ASTM G129-00类似,该方法表征材料在加载条件下的特定环境中具有尖锐裂纹的裂纹扩展阻力。该方法引入了环境辅助开裂(EAC)和阈值强度因子参数(KIEAC和KEAC),定义为既不发生破坏也不发生裂纹扩展的应力强度因子的最大值。测量的KEAC或KIEAC值可用于估计在裂纹样缺陷预期的使用条件下材料的失效应力和缺陷尺寸之间的关系。金属材料中EAC的真实阈值这一概念存在一定程度的不确定性。

7、使标准适应工业环境
由于这些试验的简单性和速成性,其结果不一定旨在代表长期暴露的真正氢气工作环境,而是为材料筛选提供基础。目前,对于材料在含氢气体存在下的特定高温/压力、热化学处理条件下的性能,还没有适用于he的特定标准。然而,现有的氢脆(HE) ASTM标准可以适应与特定工业过程相关的条件。例如,ASTM F1459测试条件可以适应高温,以评估高温/压力反应器中使用的金属和合金,特别是那些使用循环加压和/或加热的金属和合金。
F1459标准又称圆盘压力试验(DPT)方法,最初是针对氢气脆化而制定的。后来对其进行了改进,通过比较非脆化和脆化条件下的材料,如温度(- 196~450℃)、H2压力(高达1600 bar)、H2纯度和压力增加率,来测试氢环境的脆化。在该研究中,还对252-ksi H-11 250 马氏体钢和其他几种马氏体钢进行了延迟失效实验。
采用DPT方法研究了21-6-9不锈钢和中碳钢在不同实验条件下的HE,包括不同气体环境(空气、N2、H2)、不同压力和不同预加载时间。作者确定21-6-9不锈钢(SS)可能对氢不敏感,但当样品暴露在氢中较长时间(超过1000 h)时,其延展性仍有轻微的退化。淬火中碳钢在氢中的降解更为显著,并且在含氢气氛中的破裂压力明显低于在空气中的破裂压力。
在氦和氢气氛下对不同的铁合金和有色合金进行的圆盘破裂试验表明,316SS、铜、铝和钛合金在室温下没有HE。DPT结果与阴极充电后的结果一致。
一些研究已经评估了DPT测试的方法和结果。一个非线性的试样有限元模型被用来准确地评估应力和应变作为施加压力的函数。该模型用于解释测试结果,并允许对DPT评估金属暴露于氢的机械性能的能力有更全面的了解。DPT给出的阈值浓度低于电化学测量得到的临界浓度,可能是由于应力/应变状态对材料断裂的影响。
已经开发了一种高度非线性的DPT有限元模拟方法来预测不同材料和厚度的DPT在氢气作用下的破坏压力。模拟包括大范围的压力条件,为高压储氢提供了有用的知识。
有许多ASTM断裂韧性测试标准在空气和室温下进行,不考虑氢气环境。这些包括ASTM E399(金属材料的线弹性平面应变断裂韧性的标准试验方法),ASTM E740(表面裂纹拉伸试样断裂试验的标准规程),ASTM E1820(断裂韧性测量的标准试验方法)和ASTM E2899(在拉伸和弯曲下表面裂纹的起始韧性测量的标准试验方法)。这些标准试验也可用于评估暴露于氢或含氢大气中的材料的机械性能。然而,通常用于断裂韧性测试的试样几何形状必须修改为与原始材料形状相关,以便正确解释结果。