CN103901084B - 一种高强钢氢损伤的表面吸附氢快速检测方法 - Google Patents

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本发明提供的是一种高强钢氢损伤的表面吸附氢快速检测方法。采用电化学阻抗谱测试方法测量高强钢在酸性腐蚀介质中的低频端感抗弧；采用阻抗拟合等效电路对低频端感抗弧进行拟合，得到代表氢离子在金属表面的吸附能力的电感电阻的阻值大小；利用吸附氢电感电阻-渗氢量-氢损伤之间的关系，利用测得的电感电阻数值判断高强钢的氢损伤程度。本发明通过检测氢在高强钢表面的吸附能力，以此来评定氢原子向高强钢中的渗透行为，从而起到检测渗氢原子对高强钢力学性能损坏大小的作用。本发明是一种快速、无损、原位的评定材料氢损伤的检测技术，适用于工程应用。

Description

一种高强钢氢损伤的表面吸附氢快速检测方法
技术领域
本发明涉及的是一种高强钢氢损伤的表面吸附氢检测方法。
背景技术
氢能进人许多金属，典型的如铂、钯以及储氢合金等，也能进入钢铁。进入钢铁中的氢原子会显著降低高强钢的力学性能。氢的作用有多种不同表现形式，如钢中白点、氢鼓泡和氢诱发裂纹、氢致相变、氢致塑性损失、氢蚀或最为严重的氢致开裂等。当氢含量达到一定程度，会造成钢的氢脆断裂，氢致开裂前基本不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大，工程中都尽可能防止。尤其是对于高强度及超高强度钢，氢脆敏感性会随着钢的强度级别的增大而大幅增加，高强度钢在其服役过程中，进入金属中的氢会扩散到钢中应力集中处，在金属内部，特别是三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后产生氢致开裂，工程实际上所说的氢脆，大多是指这类高强钢的氢脆，是最危险的破坏方式之一，对于输送含有硫化氢的油、气管道最为常见。2013年11月22日青岛经济技术开发区中石化黄潍输油管线一输油管道发生管道腐蚀破裂事故，原油泄漏，管线油进入了市政管网发生燃爆，事故造成了62人遇难，重伤65人，代价惨痛。因此，如何评定金属的氢损伤程度变得极为重要，了解金属的氢损伤程度，便于构件的及时维护和替换，可以避免灾难的发生。
目前评定金属氢损伤的方法有几种：
（1）断裂力学法，用断裂力学的方法来研究氢损伤程度，在特定介质中于不同应力作用下测定金属材料的滞后破坏时间。在用力学方法评定氢损伤时，根据的到的断口信息、力学性能指标来定性地评定金属氢损伤程度，是一种离位测试方法，操作简单，但是需要破坏材料，不能无损的检测，不利于工程检测应用。
（2）Devnathan-Stachurski双电解池技术测试法，用Devnathan-Stachurski双电解池技术可测量金属内部氢的渗透量，可实现金属各类腐蚀环境下原位的氢扩散的研究，能够用来描述氢在金属表面及内部产生、吸附、扩散等过程，应用广、定位精确、灵敏度高。但该方法操作复杂、金属表面需要电镀，测试时间较长、不能快速的检测，适用于实验室科学研究，而不利于工程氢损伤检测应用。
对于工程检测领域，需要的是一种快速、原位、无损的氢损伤检测方法。氢损伤中氢在腐蚀介质-金属中的扩散可分为三个阶段：1、氢原子的产生阶段；2、氢原子在金属表面吸附阶段（产生H-物理吸附-化学吸附）；3、氢原子进入金属，由高浓度区域向低浓度区域扩散阶段，造成氢损伤。其中，氢吸附并进入金属这一阶段是氢作用于金属的第一阶段，也是氢引起金属失效的前提条件。因此利用氢在金属表面的吸附特性，建立吸附氢与渗透氢之间的关系，这样就可以通过检测氢离子在表面的吸附性的大小，来评定材料的氢损伤程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速、无损、原位的高强钢氢损伤的表面吸附氢快速检测方法。
本发明的目的是这样实现的：
采用电化学阻抗谱测试方法测量高强钢在酸性腐蚀介质中的低频端感抗弧；采用阻抗拟合等效电路对低频端感抗弧进行拟合，得到代表氢离子在金属表面的吸附能力的电感电阻的阻值大小；利用吸附氢电感电阻-渗氢量-氢损伤之间的关系，利用测得的电感电阻数值判断高强钢的氢损伤程度。
所述采用电化学阻抗谱测试方法测量高强钢在酸性腐蚀介质中的低频端感抗弧具体包括：采用三电极体系，工作电极为待测试样、参比电极为饱和银/氯化银参比电极、对电极为铂片，测试前将三电极体系放入待测溶液中电位稳定15-30分钟，测试时将三电极与电化学工作站相连进行电化学阻抗谱测试；选取的电化学阻抗谱频率测试范围为10-2-105赫兹，正弦波扰动振幅为5毫伏；低频端感抗弧的选择范围是虚部阻抗值零值以下得部分，频率范围在10-2-10赫兹之间。
所述阻抗拟合等效电路为Rs(Qdl(Rct(LRL)))，其中Rs为溶液电阻，Rct和RL分别代表的是电荷转移电阻和吸附氢电感电阻，Qdl和L是双电层电容和吸附氢电感。
所述吸附氢电感电阻-渗氢量-氢损伤之间的关系为：
（1）当吸附氢电感电阻数值小于60欧姆每平方厘米时，代表金属抗氢渗透能力差，氢损伤量大，服役构件在短期内应替换；
（2）当吸附氢电感电阻数值在60欧姆每平方厘米与120欧姆每平方厘米之间时，代表金属抗氢渗透能力适中，氢损伤量适中，构件应进行适当维护；
（3）当吸附氢电感电阻数值大于120欧姆每平方厘米时，代表金属抗氢渗透能力强，氢损伤量很小，构件还可长期服役。
本发明通过检测氢在高强钢表面的吸附能力，以此来评定氢原子向高强钢中的渗透行为，从而起到检测渗氢原子对高强钢力学性能损坏大小的作用。本发明是一种快速、无损、原位的评定材料氢损伤的检测技术，适用于工程应用。
本发明优点如下：
1、本发明是一种快速、无损、原位的评定材料氢损伤的检测技术，适用于工程材料氢损伤的检测；
2、本发明相建立了吸附氢电感电阻、氢渗透、氢损伤之间的关系，测量得到的吸附氢电感电阻的大小来评定材料的氢损伤程度，评价准确、可靠。
附图说明
图1为本发明电化学阻抗谱测试图。
图2为本发明电化学阻抗谱等效拟合电路示意图。
图3为本发明Devnathan-Stachurski双电解池技术测得的渗氢时间-电流曲线图。
图4为本发明断裂力学方法得到的应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和一个实例对本发明的可靠性进行详细地描述：
（1）待测材料：10CrSiNiCu低合金高强度钢，利用水磨砂纸将试样逐级打磨至2000号，使用丙酮，去离子水清洗，热风吹干；
（2）充氢溶液：pH=2.00的3.5%NaCl溶液作为腐蚀介质，并加入硼酸（50克每升）作为缓冲溶液；
（3）实验参数：外载拉应力分别为0兆帕、50兆帕、100兆帕下，检测其对应不同条件下的吸附氢电感电阻、氢渗透稳态渗氢电流、断裂力学性能；
（4）测试结果：
1、电化学阻抗谱测试：从图1中可以直观的看到直观阻抗奈奎斯特图由两部分组成，高频的容抗弧和低频端的一部分位于0以下的感抗弧，电极表面进行着直接的酸性溶解，高频容抗弧象征着电极表面与溶液间双电层的充放电弛豫过程，而低频端感抗弧的放大图如图1右上角所示，从放大图中可以明显的看到，随着拉应力的增加，感抗弧的曲率半径明显发生了变化，随着拉应力的增加而减小，说明拉应力的变化确实可以在低频端的感抗弧的变化行为上体现出来。
对图1中的阻抗数据进行拟合，选择如图2所示的拟合电路，该拟合电路包括了双电层电容和氢在电极表面吸附过程的信息，各元件分别为溶液电阻、电荷转移电阻、吸附氢电感电阻、双电层电容和吸附氢电感。电化学阻抗谱的拟合通过ZSimpWin软件完成，通过拟合得到吸附氢电感电阻的变化情况。随着外加拉应力从0兆帕-50兆帕-100兆帕的增加，吸附氢电感电阻随外加拉应力的增加而下降，其数值依次从64.2欧姆每平方厘米(0兆帕)变化到52.2欧姆每平方厘米(50兆帕)、32.8欧姆每平方厘米(100兆帕)。
2、Devnathan-Stachurski双电解池技测试：图3为10CrSiNiCu钢在不同拉应力0兆帕、50兆帕、100兆帕作用下的Devnathan-Stachurski渗氢时间-电流曲线，从图中可以看到随着拉应力的增加，渗氢稳态电流值在不断升高，其数值从2.3×10-7安培每平方厘米(0兆帕)变化到1.1×10-6安培每平方厘米(50兆帕)、1.7×10-6安培每平方厘米(100兆帕)，渗氢孕育时间也在不断缩短，说明在测试溶液中，拉应力对10CrSiNiCu钢的渗氢行为是促进作用。这一结果也与由图1中计算出的吸附氢电感电阻RL的变化规律相吻合。
3、应力应变曲线测试：10CrSiNiCu钢在0兆帕和188兆帕外加拉应力作用下，在测试溶液中浸泡24h后的充氢试样的应力-应变曲线，其结果如图4所示。由图可直接观察到，拉应力使材料力学性能大幅下降。进行相应的延伸率计算：材料的延伸率分别为为20%(0兆帕)-16%(50兆帕)-12%(100兆帕)，说明了外加拉应力的存在使得材料的氢损伤增多了，外加拉应力促进了氢的渗透。这一结果也与由图1中计算出的吸附氢电感电阻以及图3中得出的氢渗透电流的变化规律及相一致。
三种测试方法的一致性表明了本发明所建立的吸附氢电感电阻、氢渗透、氢损伤三者之间的关系是可靠地，测量得到的吸附氢电感电阻的大小能够用来评定材料的氢损伤程度。
此外，经过各种条件下大量的实验积累，发现吸附氢电感电阻、氢渗透、氢损伤之间的关系如下：
1、当吸附氢电感电阻数值小于60欧姆每平方厘米时，氢渗透稳态电流密度大于1×10-6安培每平方厘米，代表金属抗氢渗透能力差，氢损伤量大，服役构件在短期内应替换；
2、当吸附氢电感电阻数值在60欧姆每平方厘米与120欧姆每平方厘米之间时，氢渗透稳态电流密度在1×10-6安培每平方厘米与2.5×10-7安培每平方厘米，代表金属抗氢渗透能力适中，氢损伤量适中，构件应进行适当维护；
3、当吸附氢电感电阻数值大于120欧姆每平方厘米时，氢渗透稳态电流密度小于2.5×10-7安培每平方厘米，代表金属抗氢渗透能力强，氢损伤量很小，构件还可长期服役。

Claims (3)

1.一种高强钢氢损伤的表面吸附氢快速检测方法，其特征是：采用电化学阻抗谱测试方法测量高强钢在酸性腐蚀介质中的低频端感抗弧；采用阻抗拟合等效电路对低频端感抗弧进行拟合，得到代表氢离子在金属表面的吸附能力的电感电阻的阻值大小；利用吸附氢电感电阻-渗氢量-氢损伤之间的关系，利用测得的电感电阻数值判断高强钢的氢损伤程度；所述吸附氢电感电阻-渗氢量-氢损伤之间的关系为：
(1)当吸附氢电感电阻数值小于60欧姆每平方厘米时，代表金属抗氢渗透能力差，氢损伤量大，服役构件在短期内应替换；
(2)当吸附氢电感电阻数值在60欧姆每平方厘米与120欧姆每平方厘米之间时，代表金属抗氢渗透能力适中，氢损伤量适中，构件应进行适当维护；
(3)当吸附氢电感电阻数值大于120欧姆每平方厘米时，代表金属抗氢渗透能力强，氢损伤量很小，构件还可长期服役。
2.根据权利要求1所述的高强钢氢损伤的表面吸附氢快速检测方法，其特征是所述采用电化学阻抗谱测试方法测量高强钢在酸性腐蚀介质中的低频端感抗弧具体包括：采用三电极体系，工作电极为待测试样、参比电极为饱和银/氯化银参比电极、对电极为铂片，测试前将三电极体系放入待测溶液中电位稳定15-30分钟，测试时将三电极与电化学工作站相连进行电化学阻抗谱测试；选取的电化学阻抗谱频率测试范围为10-2-105赫兹，正弦波扰动振幅为5毫伏；低频端感抗弧的选择范围是虚部阻抗值零值以下的部分，频率范围在10-2-10赫兹之间。
3.根据权利要求1或2所述的高强钢氢损伤的表面吸附氢快速检测方法，其特征是：所述阻抗拟合等效电路为Rs(Qdl(Rct(LRL)))，其中Rs为溶液电阻，Rct和RL分别代表的是电荷转移电阻和吸附氢电感电阻，Qdl和L是双电层电容和吸附氢电感。
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