CN103398942A

CN103398942A - 金属局部区域氢渗透行为实验装置

Info

Publication number: CN103398942A
Application number: CN2013102863557A
Authority: CN
Inventors: 孟国哲; 玄晓阳; 张博; 邵亚薇; 张涛; 王艳秋; 刘斌
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: CN103398942B

Abstract

本发明提供的是一种金属局部区域氢渗透行为实验装置。包括微电解池、腐蚀环境模拟槽，工作试样的一面为测试区、另一面为腐蚀区，微电解池的一端与工作试样的测试区接触，工作试样的腐蚀区与腐蚀环境模拟槽中的腐蚀介质接触，微电解池中的对电极、参比电极及工作试样组成三电极体系，对电极、参比电极和工作试样分别通过导线与电化学工作站的对电极端口、参比电极端口和工作电极端口相连，电化学工作站通过数据线与计算机相连。本发明了供一种用于研究金属材料局部区域在模拟应力腐蚀环境中氢渗透行为的实验装置，其测试范围可达到微米级，可以应用于特定的狭小区域例如应力集中区域，裂纹尖端区域，焊缝区域等的氢渗透行为研究。

Description

金属局部区域氢渗透行为实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种测量仪器，具体地说是一种用于研究金属材料的应力集中区域、裂纹尖端区域、焊缝区等局部区域在模拟腐蚀环境中氢渗透行为的实验装置。

背景技术

氢进入材料后往往会导致各种损伤，如钢中的过饱和氢冷却后造成的“白点”损伤，在某些金属及其合金中形成脆性氢化物相，原子氢扩散富集引起的塑性损失及滞后断裂等。氢的对高强度钢损害尤为严重，因为其普遍具有氢致裂纹（HIC）敏感性，而且随着其强度越大，其HIC敏感性越高。对于广泛应用这类材料的航空、船舶、海洋结构、化工、炼油、油气输送等领域，氢造成的材料失效带来的损失与危害是巨大的。而研究金属中的氢渗透参数，包括渗透通量、扩散系数和氢浓度等，是研究材料的氢扩散过程、氢损伤机理和抗氢性能的基本手段。因此，准确测定金属材料中的这些参数对材料的基础理论研究以及实际工程设计，都具有重要意义。目前国内外应用的研究方法有多种，例如：阴极过程量气法、电化学测量法、高真空测量法和核物理法，其中，电化学测量法因为其操作简便，灵敏度高等优点应用最为广泛。

目前，国内外学者在这一领域进行了大量研究，取得了一定成果，同时也存在诸多问题。例如专利申请号为200610046426.6、名称为“一种镀层材料氢渗透性能评价方法及其专用双电解池”和专利申请号为201010185642.5、名称为“金属氢渗透性能测定的装置及方法”的中国专利文件，以及专利号为4221651、名称为“Electrochemical cell for measuringhydrogen in metal”、专利号为6814854、名称为“Hydrogen permeation probe method”的美国专利文件中公开的技术方案等，对于特定金属或者镀层的氢渗透行为进行了较好的研究。但目前国内外此类测试方法的测试范围均处于厘米级，其无法应用于研究金属材料较狭小的局部区域（例如应力集中区域，裂纹尖端区域，焊缝区域等）的氢渗透行为，而这类局部区域极易发生氢损伤，是发生应力腐蚀开裂、氢脆等失效的主要区域，因而研究金属局部区域氢渗透行为具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试范围可达到微米级，可以应用于应力集中区域、裂纹尖端区域、焊缝区域等特定的狭小区域的氢渗透行为研究的金属局部区域氢渗透行为实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括微电解池、腐蚀环境模拟槽，工作试样的一面为测试区、另一面为腐蚀区，微电解池的一端与工作试样的测试区接触，工作试样的腐蚀区与腐蚀环境模拟槽中的腐蚀介质接触，微电解池中的对电极、Ag/AgCl参比电极及工作试样组成三电极体系，对电极、Ag/AgCl参比电极和工作试样分别通过导线与电化学工作站的对电极端口、参比电极端口和工作电极端口相连，电化学工作站通过数据线与计算机相连。

本发明还可以包括如下特征：

1、微电解池与腐蚀环境模拟槽固定于载物实验台上，载物实验台置于法拉第静电屏蔽箱内，所述工作试样由测试金属、包裹在测试金属外周边的绝缘层和绝缘层上的绝缘防水台组成，工作试样安装于腐蚀环境模拟槽中。

2、微电解池与腐蚀环境模拟槽安装于钢架中，工作试样的两端通过绝缘销各连接一连杆，其中一个连杆由螺栓与钢架固连，另一个连杆伸出钢架且设置有调节弹簧和调节螺母。

3、微电解池内的电解质为0.2MNaOH。

4、微电解池得上端为有机玻璃筒或槽、下部为毛细玻璃管拉制的尖端区域，尖端区域的尖端直径为60—300μm。

本发明的工作工程如下:

1）：将工作试样腐蚀区所在一面使用砂纸打磨至1000#，待测区所在一面抛光后电镀镍，并于镀镍后放置干燥箱内在200℃下进行2小时除氢处理。

2）：将工作试样使用302胶封装后固定于腐蚀环境模拟槽中，并根据实验要求施加拉应力。

3）将微电解池尖端与工作试样待测区相连，保证密封性。

4）腐蚀环境模拟槽中采用质量分数1%HCl与3.5%NaCl溶液作为腐蚀介质，微电解池内采用0.2mol/lNaOH溶液作为电解质，微电解池内参比电极，对电极，以及工作试样均通过导线与电化学工作站相连，检查无误后可进行电化学测试。

其电化学测试采用计时安培法，施加恒电位为340mV（相对于SCE）。

本发明了供一种用于研究金属材料局部区域在模拟应力腐蚀环境中氢渗透行为的实验装置，其测试范围可达到微米级，可以应用于特定的狭小区域例如应力集中区域，裂纹尖端区域，焊缝区域等的氢渗透行为研究。

本发明具有以下特点：

1、本发明突破了目前使用电化学方法进行氢渗透行为研究只能对试样宏观面积范围（厘米级）进行平均性质测试，而无法对特定狭小局部区域如应力集中区域、焊缝区域、裂纹尖端区域进行测试的难题，测试面积达到微米级别（微毛细管直径为微米级），可针对多种局部区域，填补了这一方面国内外相关领域空白；

2、本发明相较于甘油法，水银法，色谱分析法等氢含量测试方法具有测试方法简便、测试数据精度高、无污染、测试成本低廉的优点；

3、本发明试验方法灵活，可以对试样施加范围在3000N以内的单向拉应力，并提供各类腐蚀介质，可应用于多种类型的应力腐蚀及氢脆的机理研究。

附图说明

图1为本发明的第一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明的微电解池结构示意图。

图3为本发明的第二实施方式的结构示意图。

图4为本发明的工作试样结构示意图。

图5为应用本发明在无应力条件下测得的10CrSiNiCu钢的氢渗透电流曲线。

图6为应用常规测试手段Devanathan双电解池方法在无应力条件下测得的10CrSiNiCu钢的氢渗透电流曲线。

图7为应用本发明在施加50N拉力下测得的10CrSiNiCu钢裂纹尖端区域氢渗透电流曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细地描述：

结合图1，本发明的第一种实施方式的结构包括微电解池1、腐蚀环境模拟槽4、载物实验台5、法拉第静电屏蔽箱6、工作试样7。其中工作试样7安装于腐蚀环境模拟槽4中，微电解池1一端与工作试样7工作面接触，微电解池1与腐蚀环境模拟槽4均固定于载物实验台5，载物实验台5放置于法拉第静电屏蔽箱6内。

结合图1和图2，微电解池测试系统采用对电极1-1、Ag/AgCl参比电极1-2及工作试样7组成三电极体系，并将其分别通过导线与电化学工作站2的对电极端口、参比电极端口、工作电极端口相连，并通过数据线将计算机3与电化学工作站2相连，即可实现在线实时监测试样局部区域的氢渗透行为。微电解池1内采用0.2MNaOH为电解质1-3；微电解池1与工作试样7接触的一端的周围通过硅胶1-4进行密封，以防止电解质1-3扩散渗出。微电解池上端1-5采用有机玻璃制作、下部尖端区域1-6采用毛细玻璃管拉制，其尖端直径可达60—300μm。

结合图1和图4，本发明工作试样7由测试金属7-3及其外层包裹的绝缘层7-4、绝缘防水台7-5组成，绝缘层7-4防止测试金属7-3除腐蚀区7-2以外的其他区域与腐蚀介质4-7接触，绝缘防水台7-5防止腐蚀介质接触测试区7-1。

结合图3，本发明的第二种实施方式的结构包括微电解池1与腐蚀环境模拟槽4-6安装于钢架4-5中，采用两个连杆4-1通过绝缘销4-3连接并固定工作试样7，连杆4-1由螺栓固定于钢架4-5，采用弹簧4-4推动连杆4-1对工作试样施加沿连杆方向的轴向拉应力，以提供试样所受的拉应力状态；通过腐蚀环境模拟槽4-6内加入腐蚀介质4-7并浸入工作试样腐蚀区7-2，以提供试样各类腐蚀溶液环境。

本发明的具体实施过程如下：

首先准备工作试样，以10CrSiNiCu钢为例，将其加工为0.2mm厚的金属薄片，将其腐蚀端7-2一面使用金刚石砂纸打磨至1000#，将其测试端7-1一面抛光后镀镍，镀镍工艺如下:电镀液的成分是每升溶液中含250gNiSO₄·7H2O+45gNiCl₂·6H₂O+40gH₃BO₄，在室温电镀，电流密度为10mA/cm²，时间为120s。镀镍后将金属薄片放置于鼓风干燥箱中，于200℃下进行2h除氢处理。随后在金属薄片一侧焊接导线，然后使用302胶按照图4对金属薄片进行封装。

将封装后的工作试样使用绝缘销4-3连接并固定，连杆4-1由螺栓固定于钢架4-5，可采用弹簧4-4推动连杆4-2对工作试样施加沿连杆方向的轴向拉应力，以提供试样所受的拉应力状态，以无应力状态为例，，然后将微电解池尖端与工作试样待测区紧密接触，保证密封性。

腐蚀环境模拟槽中采用质量分数1%HCl与3.5%NaCl溶液作为腐蚀介质，微电解池内采用0.2mol/lNaOH溶液作为电解质，微电解池内参比电极，对电极，以及工作试样均通过导线与电化学工作站相连，检查无误后可进行电化学测试，电化学测试采用计时安培法，施加恒电位为340mV（相对于SCE）。测试可得图5：无应力条件下测得的10CrSiNiCu钢的微区氢渗透电流曲线，其工作面积为0.007cm²

根据ASTM标准G148–97，对相同材料10CrSiNiCu钢，相同腐蚀介质（质量分数1%HCl与3.5%NaCl溶液），采用0.2mol/lNaOH溶液作为阳极室电解质，电化学测试采用计时安培法，施加恒电位为340mV（相对于SCE）。应用常规测试手段Devanathan双电解池方法在无应力条件下进行测试，测得图6：应用常规测试手段Devanathan双电解池方法在无应力条件下测得的10CrSiNiCu钢的标准氢渗透电流曲线。

根据ASTM标准G148–97，对相同材料10CrSiNiCu钢制备预制裂纹试样，采用相同腐蚀介质（质量分数1%HCl与3.5%NaCl溶液），采用0.2mol/lNaOH溶液作为阳极室电解质，电化学测试采用计时安培法，施加恒电位为340mV（相对于SCE）。应用本发明在施加50N拉力下测得10CrSiNiCu钢裂纹尖端区域的氢渗透电流曲线，测得图7：应用本发明在施加50N拉力下测得的10CrSiNiCu钢裂纹尖端区域氢渗透电流曲线

实验所得时间—电流曲线可进行相关分析。

通过图5与图6，我们可以直观的观察到微区渗氢实验的渗氢曲线与标准渗氢实验的渗氢曲线形状基本一致，其形状均于前7000s处于缓慢上升趋势，在7000s后基本趋于稳定值，并且两条曲线的最终稳定渗氢电流值基本一致，其值分别为3.54E-07与3.05E-07，但微区渗氢实验曲线波动比较大，这是因为厘米级区域的标准常规渗氢信号因为测试面积远远大于微区渗氢实验测试面积，其测得的渗氢信号更为平均，因此其信号波动很小表现出来的曲线较平滑，而微区渗氢曲线所反映的微米级区域的渗氢信号由于局部的缺陷，空位等干扰因素导致信号波动很大，其所对应的曲线波动也较大，这一情况是十分符合实际过程的。总之，由曲线形状、趋势以及最终稳定电流值相比较可以认为两条实验曲线即微区渗氢实验与常规标准渗氢实验所测得的同等条件下的渗氢电信号基本一致，其反映出微区渗氢实验装置可以实现微区的氢扩散行为的原位测试。通过图7我们可以得知本发明装置可以成功实现在应力施加条件下金属裂纹尖端微区氢渗透行为的原位定量精确测量。

以上对本发明的具体实施方式进行了详细说明，所述内容仅为本发明的一个实例，不能被认为用于限于本发明的实例范围，凡依本发明申请的范围进行的变化和改进均应属于本发明的涵盖范围之内。

Claims

1.一种金属局部区域氢渗透行为实验装置，包括微电解池、腐蚀环境模拟槽，其特征是：工作试样的一面为测试区、另一面为腐蚀区，微电解池的一端与工作试样的测试区接触，工作试样的腐蚀区与腐蚀环境模拟槽中的腐蚀介质接触，微电解池中的对电极、Ag/AgCl参比电极及工作试样组成三电极体系，对电极、Ag/AgCl参比电极和工作试样分别通过导线与电化学工作站的对电极端口、参比电极端口和工作电极端口相连，电化学工作站通过数据线与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的金属局部区域氢渗透行为实验装置，其特征是：微电解池与腐蚀环境模拟槽固定于载物实验台上，载物实验台置于法拉第静电屏蔽箱内，所述工作试样由测试金属、包裹在测试金属外周边的绝缘层和绝缘层上的绝缘防水台组成，工作试样安装于腐蚀环境模拟槽中。

3.根据权利要求1所述的金属局部区域氢渗透行为实验装置，其特征是：微电解池与腐蚀环境模拟槽安装于钢架中，工作试样的两端通过绝缘销各连接一连杆，其中一个连杆由螺栓与钢架固连，另一个连杆伸出钢架且设置有调节弹簧和调节螺母。

4.根据权利要求1、2或3所述的金属局部区域氢渗透行为实验装置，其特征是：微电解池内的电解质为0.2MNaOH。

5.根据权利要求1、2或3所述的金属局部区域氢渗透行为实验装置，其特征是：微电解池得上端为有机玻璃筒或槽、下部为毛细玻璃管拉制的尖端区域，尖端区域的尖端直径为60—300μm。

6.根据权利要求4所述的金属局部区域氢渗透行为实验装置，其特征是：微电解池得上端为有机玻璃筒或槽、下部为毛细玻璃管拉制的尖端区域，尖端区域的尖端直径为60—300μm。