背景简介

氢能装备（车载储氢 35/70 MPa、站用储氢 ≥50 MPa）对结构材料的氢脆评估提出很高要求。传统慢应变速率拉伸可靠，但需高压釜、周期长、耗料多，难以用于焊材、在役构件和小样本快速筛选。

小冲孔试验（Small Punch Test, SPT）用毫米级圆片试样，可同时获取屈服、强度、延性和断裂信息，已成为高压气态氢环境下材料氢脆筛查的有力工具。但高压氢 SPT 有一个被长期忽略的方法学问题，标准 SPT 中试样下表面暴露于大气，高压气 SPT 中下模变成微型压力容器，O形圈密封后，试样底面承受均匀气体压力，该压力对试样产生向上的静水反力，与冲头下行方向相反，因此测得的载荷-位移曲线为材料本征塑性抗力加高压气体机械伪影。这种特征会导致表观刚度、屈服载荷和最大载荷被高估，而断裂位移被低估。若不修正，会把“压力导致的机械硬化”误认为“氢脆现象没那么严重”，或掩盖真实氢损伤。

因此，本文通过实验（≤10 MPa）和有限元（0–50 MPa），系统量化高压气体对 SPT 曲线的上移效应，并建立随压力、屈服强度、厚度变化的解析修正因子，用于把“机械伪影”从“氢致退化”中解耦出来。

成果介绍

（1）高压气体对 SPT 曲线产生系统性上移，且低强度钢更敏感。图1对比了标准 SPT 与高压氢 SPT 夹具，标准 SPT 中试样下表面暴露于大气，高压氢 SPT 中下夹具成为微型压力容器，气体在试样底面形成分布向上力。实验上，在氢含量极低、可排除氢脆的 5~10 MPa 氢/甲烷混合气中，管线钢API X42 与 X70 的载荷-位移曲线仍相对空气基准整体上移。这一结果表明气体反力的绝对值近似恒定，但相对材料本征抗力的比例随强度升高而下降，即强度越低，压力伪影越严重。

图1 (a) 小冲杆JIG试验示意图：(a) 常规小冲杆试验；(b) 用于评估高压氢环境中气态氢脆性的小冲杆试验

（2）厚度与强度共同控制压力伪影的相对重要性。通过有限元分别对厚度为0.3 mm与0.5 mm API X42 / X65 / X70的输油管道钢在0-50 MPa下进行仿真计算，如图2所示。对于0.3mm薄样，曲线分离明显，50MPa下峰值载荷增量占比大。对于0.5mm厚样，材料弯曲和膜向刚度更大，材料抗力占主导，压力贡献相对较小。定量上，对于API X42 / X65 / X70，50MPa气体大约给冲头总载荷增加约300 N。这一结果表明材料越强、试样越厚，高压气体造成的高压气体机械伪影越小。

图2(a) API X42与(b)API X70输油管道钢在常温空气及含氢甲烷混合气体（H₂含量为0.1%）中、压力分别为5 MPa与10 MPa时测得的代表性小冲头载荷-位移曲线对比图

（3）高压气体不仅改变载荷，还改变塑性区位置和氢富集位置。由图3和图4的PEEQ分析结果可知，无压时最大等效应变位于冲头正下方。加压后，为达到同一冲头位移需更大总载荷，弯曲和膜拉伸被强化，塑性区向外扩张。在位移1.2 mm时，最大塑性应变环半径由0 MPa的0.94 mm增至50 MPa的1.02 mm。这意味着高压气体会移动 “高应力/高应变/潜在氢富集区”，若直接用高压氢 SPT 的断裂形貌（如球冠半径、起裂环位置）判断氢脆敏感性，而不扣除压力引起的应力重分布，可能高估或低估材料氢脆程度。

图3 SPT试件中等效塑性应变随冲头位移增加的变化规律：(a) 冲头位移为0.5 mm时；(b) 冲头位移为1.0 mm时；(c) 冲头位移为1.5 mm时；(d) 冲头位移为2.0 mm时

图4 小冲头试验试样在三种施加压力（0 MPa、10 MPa 和 50 MPa）下经历大变形后的等效塑性应变分布对比图

（4）提出基于压力的屈服载荷修正因子AEff(P,σ0)。对0.3 mm与0.5 mm试样分别采用AEff(P,σ0)进行修正。该修正可把“压力导致的Py虚高”抵消，使SPT得到的等效屈服强度不再被高压气体人为抬升。带压屈服载荷可表示为：

其中：

系数矩阵[B]应用于材料的测试压力及屈服强度计算，采用最小二乘法对系数矩阵[B]进行求解。

致谢

本研究由河内科技大学（HUST）项目T2024-TT-0019资助，同时得到韩国能源技术评估与规划院（KETEP）由贸易、工业和能源部（MOTIE）资助的项目（No. 20223030040090）的支持。本文第一作者：Long Hoang（Hanoi University of Science and Technology），本文通讯作者：Thanh Tuan Nguyen（Hanoi University of Science and Technology）。

本期小编：郭子键 （整理）

董乃健 （校对）

程 航 （审核）

董乃健 （发布）