高压氢气环境下6061铝合金力学性能

高压（87.5MPa）氢气环境下6061铝合金力学性能

在国家重点基础研究发展计划（973计划）项目等的资助下，浙江大学化工机械研究所在我国首次开展了高压（87.5MPa）氢气环境下6061铝合金力学性能测试。

1.试样制备

光滑圆棒拉伸试样制备使用的6061铝棒化学成分见表1，紧凑拉伸试样制备使用的6061铝板化学成分见表2。

表1 6061铝棒化学成分（wt. %）

表2 6061铝板化学成分（wt. %）

光滑圆棒拉伸试样和紧凑拉伸试样尺寸分别见图1和图2。

图1 光滑圆棒拉伸试样图2 紧凑拉伸试样

2.试验方法

2.1 试验设备

试验设备为浙江大学自主研发的高压氢环境材料耐久性试验装置HPHyTest-140。

2.2 试验气体

试验气体为87.5MPa高纯氢气（99.999%）和87.5MPa高纯氩气（99.999%）。

2.3 试验温度

试验温度为室温。

2.4 试验方法

执行标准为：ANSI/CSA CHMC 1-2014 Test methods for evaluating material compatibility in compressed hydrogen applications。

1）慢应变速率拉伸试验

将光滑圆棒拉伸试样置于87.5MPa高压氢气（氩气）环境，以位移控制方式，用10-5/s应变速率对其进行单轴拉伸，直至试样断裂。

2）疲劳裂纹扩展速率试验

将紧凑拉伸试样置于87.5MPa高压氢气（氩气）环境中，对其施加循环载荷（频率1 Hz、应力比0.1），获取试验过程中疲劳裂纹扩展长度及应力强度因子随载荷循环次数的变化关系，最终获得该材料在高压氢气和高压氩气环境下的疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子的关系曲线。

3.试验结果

3.1 慢应变速率拉伸试验

在87.5MPa高压氢气和氩气环境中，6061光滑圆棒拉伸试样的慢应变速率拉伸试验结果见表3和图3。

表3 6061光滑圆棒试样的慢应变速率拉伸试验结果

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

050100150200250300

350400应力（M P a ）

应变

87.5MPa Ar 87.5MPa H2

图3 87.5MPa 氢气环境中6061的应力-应变关系曲线

3.2 疲劳裂纹扩展速率试验

在87.5MPa 高压氢气和氩气环境中， 6061铝合金在应力强度因子18~37 MPa ∙√m 范围内的疲劳裂纹扩展速率见图4。

d a /d N (m /c y c l

e )

ΔK(MPa ·√m)

图4 87.5MPa 氢气和氩气环境中6061疲劳裂纹扩展速率