CN100510696C - 动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是涉及研究金属应力腐蚀开裂敏感性的装置和方法，具体地说是一种研究金属材料在动载条件下大气环境中应力腐蚀开裂敏感性的装置及方法，解决在动载条件下氢渗透电流测量等问题。装置包括电解池、贮液池、试样、固定在试样内部的镍丝，试样穿过电解池并且工作段置于电解池内部。将内部带有镍丝的试样插入电解池中，保持试样的工作段在电解池的内部，电解池作为阴极池，试样内部作为阳极池，在贮液池中倒入实验介质，并通过灯芯法将其引至试样工作段表面，将试样两端连接到慢应变速率拉伸机上，对试样进行拉伸和测量。本发明适用于测量氢渗透电流，可真实的模拟实际情况大气腐蚀中的干湿循环状况，真实的反应受力试样在大气中的环境敏感性。

Description

动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的装置及方法

技术领域

本发明是涉及研究金属应力腐蚀开裂敏感性的装置和方法，具体地说是一种研究金属材料在动载条件下大气环境中应力腐蚀开裂敏感性的装置及方法。

背景技术

金属腐蚀过程中会发生析氢反应，而氢在进入敏感材料的晶格以后将造成严重影响并引起敏感材料的脆化，脆化将导致敏感材料裂纹的形成并使扩展加速，影响敏感材料的结构安全。并且，已有试验证实，大气腐蚀实质为金属在电解质液膜下的电化学腐蚀，干湿循环能够加速大气腐蚀及钢材的氢渗透，因此，有必要研究金属材料在不同成份大气中、干湿循环促进下的氢渗透行为。目前多采用Devanathan-Stachurski双电解池来测量腐蚀过程中氢的渗透量，该电解池可以较好地测量静载条件下的氢渗透电流。

慢应变速率拉伸试验(SSRT)方法是指将拉力试件放在一定的环境中，装入特制的慢应变速率实验机中，用固定的、缓慢的应变速率拉伸试件，直至拉断，此种方法对研究合金—环境系统的应力腐蚀开裂敏感性和机理非常有效。目前，在这种动载条件下很难测得试样的氢渗透电流。

毋庸置疑，如果能得到动载条件下金属材料在不同成份大气中的氢渗透电流，即在一次实验中同时得到应力应变曲线(Stain-stress)和氢渗透电流随时间、应力、应变的变化，就可以在更接近实际情况下，更好的获得金属材料在该介质中的应力腐蚀开裂敏感性，便于分析腐蚀破裂机制，便于选材和及时对材料进行保护。而目前普遍采用的一般的Devanathan-Stachurski双电解池只能测量试件未受力条件下的氢渗透电流。

发明内容

为了克服现有条件下对动载条件下大气环境中应力腐蚀开裂敏感性研究的不足，本发明的目的在于提供一种研究动载条件下金属在大气中应力腐蚀开裂敏感性的装置及方法，解决在动载条件下氢渗透电流测量等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明包括电解池、试样、固定在试样内部的镍丝，试样穿过电解池并且工作段置于电解池内部，试样作为工作电极，镍丝同时作为参比电极和辅助电极，试样与镍丝构成一套三电极体系，且分别引出导线与数据采集器的端口相连接。

其中：所述电解池包括上盖、外圆筒状侧壁，内圆筒状侧壁、底板，内圆筒状侧壁上引流用的小孔，内筒与外筒留有空间，内外圆筒状侧壁之间形成贮液池，底板固接在外圆筒状侧壁及内圆筒状侧壁的下端，上盖位于外圆筒状侧壁及内圆筒状侧壁的上端、并通过螺栓与内、外圆筒状侧壁、底板相连接，上盖与底板上均开有等大的同心圆孔，试样穿装于同心圆孔，上盖上在同心圆孔的一侧设有两个介质孔；下盖内圆筒状侧壁中设有一个出液口；试样与底板、上盖的接缝处通过密封胶密封；所述试样作为工作电极，镍丝同时作为参比电极和辅助电极，试样与镍丝组成一套三电极体系，并分别引出导线与数据采集器的端口相连接；所述试样为“工”字形圆柱，内部中空，镍丝置于试样内、并与试样之间留有空隙，镍丝的一端通过环氧树脂固定在试样的内壁上，另一端通过中部带孔的有机玻璃塞密封，试样的内壁镀有镀镍层，在试样与镍丝之间灌有0.02mol/L的NaOH的二次蒸馏水溶液；试样为“工”字形，两端制有外螺纹，试样两端的外螺纹与内外壁均制有螺纹的中空钢棒的内螺纹连接，再通过密封胶把试样与中空钢棒的接缝处涂封，两端螺纹连接中空钢棒的试样穿装于电解池。

本发明的方法为：将内部带有镍丝的试样插入电解池中，保持试样的工作段在电解池的内部，实验介质自贮液池引至试样表面作为阴极池，试样内部作为阳极池，在贮液池中倒入实验介质，用灯芯法将实验介质引至试样表面，在试样工作段表面形成均一电解质膜，将试样两端连接到慢应变速率拉伸机上，选择拉伸速率，对试样进行拉伸，同时用三电极体系测拉伸时的氢渗透电流。

具体步骤为：

1)将试样内壁表面镀镍，镀镍液为250g/L硫酸镍[NiSO_4·6H₂O]、45g/L氯化镍[NiCl_2·6H₂O]、40g/L硼酸[H₃BO₃]的混合液，镀镍后用无水酒精、丙酮采用超声波清洗干净，冷风吹干，将镍丝放入试样内部，用环氧树脂固定，再在试样内壁与镍丝之间灌满0.02mol/L的NaOH二次蒸馏水溶液，密封；

2)将准备好的试样插入电解池中，保持试样的工作段在电解池的内部，试样与电解池连接处密封，将实验介质倒入电解池内；

3)采用灯芯法将实验介质引至试样工作段表面，形成电解质膜，真实的模拟大气腐蚀过程中，在金属表面的电解质膜；

4)将试样与参比电极和辅助电极三电极体系通过导线分别与数据采集器的端口连接，用于记录氢渗透电流；

5)将试样两端连接到慢应变速率拉伸机上，选择不同拉伸速率，对试样进行拉伸，在试样与镍丝的体系在拉伸过程中通过数据采集器用计算机连续记录氢渗透电流。

其中：步骤1)中的NaOH的二次蒸馏水溶液，用NaOH的优级纯试剂与二次蒸馏水配制；实验是在0～60℃(通常为室温)下进行。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明可测量动加载条件下金属材料在大气环境中尤其是在干湿循环条件下，由腐蚀反应而产生的氢的扩散电流，弥补了现有电解池只能测量未受力样品的氢渗透电流的不足。

2.本发明的研究装置在试样内壁镀有镍层，由于镀镍层的催化作用，腐蚀过程中析出的氢能够完全被氧化，因此测到的氧化电流即氢渗透电流能够完全反映氢渗透行为。

3.本发明的研究方法所采用的装置成本低，操作简单，精度高。

4.本发明能够连续记录氢渗透电流，可以比较在试样从刚开始受力到断裂这一过程中氢渗透电流的变化情况，进而可以绘出氢渗透电流随应力、应变大小而变化的规律，为环境敏感断裂机制的研究提供线索。

5.本发明装置由一套三电极体系构成，用于测量氢渗透电流，可真实的模拟实际情况大气腐蚀中的干湿循环状况，真实的反应受力试样在大气中的环境敏感性。

附图说明

图1为本发明电解池的结构示意图；

图2为本发明电解池的结构剖面图；

图3为本发明电解池的结构俯视图；

图4为本发明试样的结构示意图；

图5为本发明试样的结构剖面图；

图6为采用本发明的拉伸曲线；

图7为本发明拉伸过程中的氢渗透曲线。

图中，1上盖；2底板；3圆孔；4出液口；5外圆筒状侧壁；6螺栓；7内圆筒状侧壁；8孔；9介质孔；10贮液池；11环氧树脂；12外螺纹；13镀镍层；14镍丝；15试样；16塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

本发明包括电解池、贮液池10、作为工作电极的试样15、固定在试样15内部的镍丝14，试样15穿过电解池并且工作段在电解池内部，试样15作为工作电极，镍丝14同时作为参比电极和辅助电极，试样15与镍丝14构成一套三电极体系，且分别引出导线与数据采集器的端口相连接。

如图1～图3所示，电解池包括上盖1、外圆筒状侧壁5、内圆筒状侧壁7及底板2，内外圆筒状侧壁之间形成贮液池10，在内圆筒状侧壁7的上部设有灯芯引流用的孔8，底板2粘接在外圆筒状侧壁5及内圆筒状侧壁7的下端，上盖1位于外圆筒状侧壁5及内圆筒状侧壁7的上端，并通过四个螺栓6与外圆筒状侧壁5、内圆筒状侧壁7和底板2相连接，三者连接成完整的电解池。上盖1和底板2上开有等大同心圆孔3，上盖1上在同心圆孔3的两侧设有两个介质孔9，上盖1可以自由拿下，便于装入试样15，试样15穿装于上盖1和底板2的同心圆孔3后，在电解池内部可用密封胶将试样15与底板2的接缝处密封；下盖内圆筒状侧壁中设有一个出液口4。

如图4、图5所示，试样15为“工”字形不等径圆柱，外径大的两端为非工作段，外径小的中间部分为工作段，两端的非工作段制有外螺纹12。试样15的内部中空，镍丝14置于试样15内部、并与试样15之间留有空隙，保证镍丝14与试样15的内壁不接触。镍丝14的一端通过环氧树脂11固定在试样15的内壁上，另一端通过中部带孔的有机玻璃塞16密封，试样15的内壁镀有镀镍层13，在试样15与镍丝14之间灌有NaOH的二次水溶液。

实验时，电解池作为阴极池，阴极池中为实验介质；中空的试样15内部作为阳极池。先把内壁镀镍的试样15和镍丝14用无水酒精、丙酮采用超声波彻底清洗干净，冷风吹干。吹干后，把镍丝14置入试样15的内部，镍丝14的一端通过环氧树脂11固定在试样15的空腔内，待环氧树脂11固化后，在试样15的内壁和镍丝14之间灌满0.02mol/L的NaOH二次水溶液，该溶液用优级纯试剂与二次水配制，然后用中部带孔的有机玻璃塞16密封，镍丝14的上端穿出有机玻璃塞16便于导线连接。试样两端的外螺纹与内外壁均制有螺纹的中空钢棒的内螺纹连接，再用密封胶把试样15与中空钢棒的接缝处涂封，将中空钢棒分别安装于试样15的两端，作用是便于与拉伸机连接。把两端螺纹连接中空钢棒的试样15放入内圆筒状侧壁7围成的筒中，并由底板2上的同心圆孔3穿出，将试样15与底板2的接缝处用密封胶涂封。只保留试样15的工作段在电解池的内部，用螺栓6紧固使电解池成为一个整体，上盖1与试样15的接缝处通过密封胶进行密封。再将实验介质从上盖1上的介质孔9倒入到电解池中，然后用橡胶密封塞将介质孔9密封。之后，采用灯芯法将实验介质从贮液池10中引至试样工作段表面，形成电解质膜，并将与试样15两端螺纹连接的中空钢棒与慢应变速率拉伸机连接，拉伸速率可在1×10⁰mm/min，5×10⁰mm/min，1×10^-1mm/min，5×10^-1mm/min，1×10^-2mm/min，5×10^-2mm/min，1×10^-3mm/min，5×10^-3mm/min，1×10^-4mm/min，5×10^-4mm/min，1×10^-5mm/min，5×10^-5mm/min之间选择，拉伸速率不是一定值，可选择不同拉伸速率对试样15进行拉伸。确切地说，应该是选择合适的拉伸速率对试样进行拉伸，因为如果速率太快，试样来不及发生形变已经发生断裂；如果太慢，试样裂纹尖端可能又已经被钝化膜覆盖，对氢渗透产生阻碍，故应该说选择合适的拉伸速率，本实施例给出的实验结果中采用的拉伸速率：1×10^-3mm/min。拉伸之前，作为工作电极的试样15与同时作为参比电极和辅助电极的镍丝14组成的三电极体系通过导线与用于采集氢渗透电流的数据采集器的端口连接，通过试样15与镍丝14组成的体系，在拉伸过程中就可以通过数据采集器用计算机连续记录氢渗透电流了。

有关的实验结果参见图6、图7，实验结果表明：随着拉伸过程的进行，试样表面逐渐出现裂纹，表现在氢渗透电流上，氢渗透电流急剧增大。因此，采用本发明可以在动载条件下准确地测量氢渗透电流，进一步还可以研究大气中金属在动载条件下的应力腐蚀开裂敏感性。

本发明的电解池材料可采用环氧绝缘树脂或聚氨酯类绝缘树脂(本实施例为环氧绝缘树脂)；试样15的内壁镀镍，镀镍液为Watts bath(瓦兹镀镍液：250g/L硫酸镍[NiSO_4·6H₂O]，45g/L氯化镍[NiCl_2·6H₂O]，40g/L硼酸[H₃BO₃])，试样15的内壁镀镍层厚度约为180nm。本实施例中被拉伸试样为“工”字形的不等径圆柱，长80mm，两端螺纹处外径为17mm，中间工作段处外径为10mm，试样内径为9mm，试样工作段厚度大约为1mm；镍丝的直径为1.2mm。

Claims (9)

1.一种动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的装置，其特征在于：包括电解池、贮液池(10)、试样(15)、固定在试样(15)内部的镍丝(14)，试样(15)穿过电解池并且工作段置于电解池内部；所述电解池包括上盖(1)、外圆筒状侧壁(5)、内圆筒状侧壁(7)及底板(2)，底板(2)固接在外圆筒状侧壁(5)、内圆筒状侧壁(7)的下端，内外圆筒状侧壁之间形成贮液池(10)，上盖(1)位于外圆筒状侧壁(5)、内圆筒状侧壁(7)的上端，并通过连接件与底板(2)相连接，上盖(1)与底板(2)上均开有等大的同心圆孔(3)，试样(15)穿装于同心圆孔(3)，上盖(1)上在同心圆孔(3)的两侧设有介质孔(9)，在内圆筒状侧壁(7)的上部设有灯芯引流用的孔(8)，在试样(15)的两端安装中空钢棒并与拉伸机连接。

2.按权利要求1所述的动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的装置，其特征在于：所述试样(15)与底板(2)、上盖(1)的接缝处通过密封胶密封。

3.按权利要求1所述的动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的装置，其特征在于：所述试样(15)作为工作电极，试样(15)与镍丝(14)构成一套电极体系，并分别引出导线与数据采集器的端口相连接。

4.按权利要求1所述的动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的装置，其特征在于：所述试样(15)为“工”字形不等径圆柱，内部中空，镍丝(14)置于试样(15)内、并与试样(15)之间留有空隙，镍丝(14)的一端通过环氧树脂(11)固定在试样(15)的空腔内，另一端通过中部带孔的有机玻璃塞(16)密封，试样(15)的内壁镀有镀镍层(13)，在试样(15)与镍丝(14)之间灌有NaOH的二次水溶液。

5.按权利要求4所述的动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的装置，其特征在于：所述“工”字形试样(15)的两端制有外螺纹(12)，试样(15)两端的外螺纹与内外壁均制有螺纹的中空钢棒的内螺纹连接，通过密封胶把试样(15)与中空钢棒的接缝处涂封，两端螺纹连接中空钢棒的试样(15)穿装于电解池。

6.一种利用权利要求1所述装置在动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的方法，其特征在于：将内部带有镍丝的试样插入电解池中，保持试样的工作段在电解池的内部，电解池作为阴极池，试样内部作为阳极池，在贮液池中倒入实验介质，并通过灯芯法将其引至试样工作段表面，将试样两端连接到慢应变速率拉伸机上，选择拉伸速率，对试样进行拉伸；在试样内部，试样与镍丝之间灌有NaOH的二次水溶液。

7.按权利要求6所述的动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的方法，其特征在于具体步骤为：

1)将试样内壁镀镍，镀镍液为250g/L硫酸镍、45g/L氯化镍、40g/L硼酸的混合液，镀镍后用无水酒精、丙酮采用超声波清洗干净吹干，将镍丝放入试样内部，用环氧树脂固定，再在试样内壁与镍丝之间灌满0.02mol/L的NaOH二次水溶液，密封；

2)将准备好的试样插入电解池中，保持试样的工作段在电解池的内部，试样与电解池连接处密封，将实验介质倒入贮液池内；

3)通过灯芯法将试验溶液引至试样工作段表面，在工作段表面形成均一的电解质液膜；

4)将试样两端连接到慢应变速率拉伸机上，然后将试样与镍丝组成的电极体系通过导线分别与数据采集器的端口连接；

5)选择不同拉伸速率，对试样进行拉伸，在试样与镍丝的体系在拉伸过程中通过数据采集器用计算机连续记录氢渗透电流。

8.按权利要求7所述的动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的方法，其特征在于：所述步骤1)中的NaOH的二次水溶液，用优级纯试剂与二次水配制。

9.按权利要求6所述的动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的方法，其特征在于：该方法是在0～60℃下进行。

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