1 前言

为了实现碳中和，氢有望在运输、发电以及制造业等各领域发挥作用，与氢相关的技术开发也日趋活跃。在氢利用设备的部件中，大多使用以钢铁材料为主的金属材料，例如加氢站的蓄压器、阀门、管路等，金属材料会暴露在超过80MPa的高压氢气下。金属材料暴露在氢气下时，氢气会侵入材料中，导致材料的强度和延展性等力学性能降低，有时会产生通常说的氢脆。因此，在将金属材料应用于氢气环境部件时，评估与使用环境相同的氢气气氛下的力学性能极为重要。本文介绍了日本大同特殊钢有限公司（以下简称：大同特钢）拥有的高压氢气氛围材料试验机的特点。

2 装置规格及特征

在大同特钢拥有的高压氢气氛围材料试验机中，有外压式高压氢气氛围材料试验机、内压式高压氢气氛围材料试验机和高压氢暴露试验装置三种，表1是其规格。

外压式材料试验机，在最高140MPa的高压氢气气氛的压力容器内，可进行低应变速率拉伸（SSRT：Slow Strain Rate Tensile）试验、疲劳试验、疲劳裂纹扩展试验和破坏韧性试验。拉伸和压缩的载荷由油压控制，通过贯穿容器的拉杆将载荷传递到压力容器内的试样。压力容器和拉杆之间的滑动部分用树脂制的密封件密封，保持高压氢气氛围。载荷测量中，为了不受滑动部位阻力的影响，使用压力容器内的测力传感器，在测力传感器上装有不易受氢影响的应变仪。

内压式材料试验机，如图1所示，在圆棒轴中心部位进行细孔加工，采用中空形状的试样。将高压氢气封入中空孔中，使试样内部处于高压氢气氛围中，就可以进行SSRT和疲劳试验。根据试样的形状也被称为中空式试验。与外压式材料试验相比，由于不需要大型高压容器，因此设备的引进和维持成本低，使用气体少量，并可在短时间内调节试验气体压力和温度等。此外，外压式材料试验机为了不损坏压力容器和拉杆间滑动部位的树脂制密封件，对横头位移速度有限制，在疲劳试验中，最大频率被限制在1Hz左右。一般要求的107次反复试验需要约116天，而内压式由于没有滑动部位的制约，最大可以用20Hz左右的速度进行试验，能够大幅度缩短试验时间。

在高压氢气暴露试验装置中，通过将试样设置在最高130MPa的高压氢气氛围的压力容器内，可进行氢气载荷和定位移法破坏韧性试验等。

3 评价事例

作为氢脆特性评价的一例，使用外压式试验机，对奥氏体系不锈钢SUS304进行了SSRT试验，结果示于图2。试验在室温下进行，初始应变速度为7×10-5/s。从应力-位移曲线可以看出，与大气中相比，氢气中SUS304的延展性降低，由于氢使其脆化。

4 结语

通过运用本文介绍的高压氢气氛围材料试验机，可进行提高耐氢材料特性和降低成本的材料开发。