CN117723446A - 基于扩散多元节及skpfm测量氢扩散系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，属于氢能利用领域，制备扩散多元节；基于扩散多元节基体的氢扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度；对所述扩散多元节进行EPMA检测以确定待测区域；确保表面稳定，充氢后采用SKPFM在待测区域进行电动势的测量；计算各成分点对应的氢扩散系数。通过制备符合要求的扩散多元节，使得扩散多元节与SKPFM结合测量氢扩散系数的准确率可达99%以上。
Description
技术领域
本发明属于氢能利用领域，具体涉一种基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法。
背景技术
超高强钢通过提高钢材强度实现结构减重，满足材料更轻量化、高强韧性的需求，广泛应用于汽车、造船以及大型建筑等领域。36MnB5作为一种新型超高强钢，经过热处理后，材料组织为均匀的马氏体组织，屈服强度可达1400MPa，抗拉强度可达2000MPa，是汽车车身使用强度级别最高的材料之一。但其抗氢脆性能和延展性较低，影响了车身部件的连接性和使用寿命。氢扩散行为对钢材影响很大，即使是很微量的氢也可能影响钢材的服役寿命。因此研究钢材的氢扩散系数对生产实践具有重要意义。
在传统的氢渗透试验方法中，是利用双电解池与电化学工作站实时监测扩氢端电流，通过氢渗透曲线计算得出氢扩散系数。每次只能得到一种成分的金属材料宏观区域整体的氢扩散系数，且重复性较差，往往需要进行多个平行实验，耗时耗力。
因此设计一种扩散多元节与SKPFM相结合的氢扩散系数高通量测试方法，直接观测不同微合金含量的金属材料预充氢后的氢扩散行为，并分析计算出各个成分相应的扩散系数，实现对微合金钢元素成分调控优化耐氢脆性能的指导，是当前所述技术领域技术人员的重要研究方向。
而现有技术中不存在将扩散多元节与SKPFM检测方式结合以检测氢扩散系数的主要原因在于存在下述技术问题。首先，制备好的扩散多元节中扩散元素的扩散距离有限，在极短的距离内含有不同待扩散元素含量的合金组分，采用扩散多元节表面成分进行测量，测出的氢扩散系数与表面的合金组分不对应；其次，如图1所示，在扩散多元节厚度方向，相同的含量的扩散元素所在面是否与SKPFM测量表面垂直，防止同一厚度方向由不同含量的合金组分组成，小锭2’的待扩散元素扩散至基体1’中，在SKPFM探针3’的作用下测量表面电动势，以A处为例，通过测量可以识别出A处合金含量，A处相同含量元素的等含量面11’并不是平面，且不与A所在的平面垂直，因此在充氢端10’进行充氢时，A处测量的氢扩散系数与A处合金并不对应，即测量的结果有误。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法。通过制备符合要求的扩散多元节，使得扩散多元节与SKPFM结合测量氢扩散系数的准确率可达99%以上。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，制备扩散多元节；基于扩散多元节基体的氢扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度；对所述扩散多元节进行EPMA检测以确定待测区域；确保表面稳定，充氢后采用SKPFM在待测区域进行电动势的测量；计算各成分点对应的氢扩散系数。
进一步的，所述扩散多元节为马氏体。
进一步的，所述扩散多元节待测区域的选择需满足：所述扩散多元节的扩散距离不小于400µm，且扩散元素经过EPMA检测后的元素含量曲线上元素的含量梯度不大于1.28%/µm，待测区域横向两侧外延至少2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比不大于5%。
进一步的，制备所述扩散多元节包括：将试样进行打磨抛光，所述打磨抛光工艺为：将所述厚度的扩散多元节用砂纸打磨至至少4000目，采用粒度为0.5~1.5um的金刚石抛光喷雾，抛光30-50min，随后采用粒度为0.02~0.10um的二氧化硅悬浊液振动抛光至少5h。
进一步的，基于所述扩散多元节基体的扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度包括：
通过下式计算出扩散多元节基体的扩散系数，
；
其中, 为扩散多元节基体的厚度， />为扩散多元节基体的充氢滞后时间；
以扩散多元节基体的扩散系数作为扩散多元节的扩散系数，计算出扩散多元节的预估厚度/>以及扩散多元节的预估充氢滞后时间/>；
；
其中，为充氢时间，/>为充氢结束后至试样安装至检测设备所需时间，/>为待测区域定位所需时间，/>为备用时间。
进一步的，所述待测区域垂直小锭与扩散多元节基体交界，确定待测区域时，扫描长度应大于1mm。
进一步的，所述待测区域采用纳米压痕进行位置标记定位，所述纳米压痕的深度为200-500nm。
进一步的，所述纳米压痕包括多个，间距至少为50um。
进一步的，所述充氢参数为：0.1~0.3mol/L的NaOH与0.2~0.3g/L硫脲的混合溶液，充氢电流密度i = 4~6mA/cm2。
进一步的，SKPFM检测到电势先降低至平稳再升高的过程，则数据有效；
利用下式：
计算出待测区域各成分点对应的氢扩散系数，其中，/>为扩散多元节的厚度，为扩散多元节的充氢滞后时间。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明通过将SKPFM与扩散多元节结合，进行氢扩散系数的高通量测试方法，与传统方法相比，具有无损测试，方便快捷和高效等优点；其次，本发明通过扩散多元节基体的氢扩散系数，确定充氢时间和扩散多元节厚度，通过氢扩散系数计算公式可知，扩散系数与厚度的平方成正比，与充氢滞后时间成反比，因而协调好厚度与充氢滞后时间非常关键，厚度越厚越容易出现厚度方向合金成分不均匀，出现背景技术里提到的测量处的氢扩散系与实际不相符的问题；厚度越薄容易出现充氢滞后时间较短，操作人员无法进行充氢、试样安装、寻找点位以及测量等工作，因此基于扩散多元节基体的氢扩散系数，以此来确定扩散多元节的充氢时间和厚度，可以大大提高检测的准确性以及检测的有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中扩散多元节示意图；
图2为本发明实施例提供的扩散多元节表面EPMA结果示意图；
图3为本发明实施例提供的扩散多元节的待测区域结构示意图；
图4为本发明实施例提供的扩散多元节的组装结构示意图；
图5为本发明实施例提供的Cr小锭与36MnB5基体的界面附近EPMA结果；
图6为本发明实施例提供的Cr梯度处标记区域充氢前样品表面形貌及电势图，a为充氢前表面形貌图，b为相同位置处的电势图；
图7为本发明实施例提供的预充氢试样SKPFM表面电势观测，c为形貌图，d0~d8依次为充氢40min后暴露在空气中27min、48min、69min、90min、111min、132min、153min、74min、195min的电势图；
图8为本发明实施例提供的扫描区域电势-时间关系图。
附图标记说明：01、封盖；02、包套；1’、基体；2’、小锭；3’、SKPFM探针；10’、充氢端；11’、等含量面；1、待测区域；10、纵截面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
本发明实施例公开了一种基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，包括：制备扩散多元节；基于扩散多元节基体的氢扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度；对所述扩散多元节进行EPMA检测以确定待测区域；确保表面稳定，充氢后采用SKPFM在待测区域进行电动势的测量；计算各成分点对应的氢扩散系数。
本发明通过将SKPFM与扩散多元节结合，进行氢扩散系数的高通量测试方法，与传统方法相比，具有无损测试，方便快捷和高效等优点；其次，本发明通过扩散多元节基体的氢扩散系数，确定充氢时间和扩散多元节厚度，通过氢扩散系数计算公式可知，扩散系数与厚度的平方成正比，与充氢滞后时间成反比，因而协调好厚度与充氢滞后时间非常关键，厚度越厚越容易出现厚度方向合金成分不均匀，出现背景技术里提到的测量处的氢扩散系与实际不相符的问题；厚度越薄容易出现充氢滞后时间较短，操作人员无法进行充氢、试样安装、寻找点位以及测量等工作，因此基于扩散多元节基体的氢扩散系数，以此来确定扩散多元节的充氢时间和厚度，可以大大提高检测的准确性以及检测的有效性。
确保表面稳定，即充氢前的初始电势观测应保试样表面状态稳定，以排除湿度、温度、探针的干扰。应全程使用同一根探针，在相同的环境条件下反复扫描，表面电势变化不超过3mv则视为表面稳定可进行后续实验。
具体的，所述扩散多元节为马氏体。具有晶粒组织的材料，不同的晶粒组织影响氢的扩散系数，叠加扩散多元节在较短的距离具有不同合金成分，使得最终测量结果偏差较大，而将扩散多元节经过淬火得到马氏体，材料组织一致，可以大大提高检测的准确性，防止晶粒对检测结果的影响。
具体的，所述扩散多元节待测区域的选择需满足：所述扩散多元节的扩散距离不小于400µm，扩散距离大保证了后续元素扩散的梯度较小，元素变化幅度小，有利于检测出真实的氢扩散系数，且扩散元素经过EPMA检测后的元素含量曲线上元素的含量梯度不大于1.28%/µm，如图2所示，距离与扩散元素含量之间的分布曲线，可以看出在B位置处，分布曲线具有最大的斜率，此处在极短的距离，合金的含量差异最大，因此在厚度方向，具有相同含量的扩散元素所构成的面具有较差的平面度，检测处的结果与真实结果差异大；为了进一步提高检测结果的准确性，待测区域横向两侧外延至少2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比不大于5%。如图3所示，小锭2’中的待扩散元素向扩散多元节基体1中扩散，厚度为h，w为待测区域1向外延伸的部分的宽度，w≥2h，扩散多元节纵截面10的扩散元素的偏差百分比不大于5%，例如该纵截面上扩散元素的平均含量为10%，某位置的扩散元素含量为9.8%，则该处扩散元素的偏差百分比位(10%-9.8%)/10%=2%，则满足偏差百分比不大于5%的要求。需要指出的是，通过选择至少50个不同位置，对扩散元素的含量进行统计取均值。
同时需要指出的是，若样品中的元素含量曲线上元素的含量梯度大于1.28%/µm不代表该样品无法使用，而是梯度大于1.28%/µm的位置测量出的结果与实际结果相差大，可靠性较差。
具体的，制备所述扩散多元节包括：将试样进行打磨抛光，所述打磨抛光工艺为：将所述厚度的扩散多元节用砂纸打磨至至少4000目，采用粒度为0.5~1.5um的金刚石抛光喷雾，抛光30-50min，随后采用粒度为0.02~0.10um的二氧化硅悬浊液振动抛光至少5h，振动频率优选2000-3000Hz，振动幅度为0.5-1.5um。通过上述限定，一方面使得所制备的试样待测试表面平整；另一方面去除了表面的加工应力，避免应力对检测结果产生影响。试样处理结束后，进行实验前应进行真空密封保存。
基于所述扩散多元节基体的扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度包括：
通过下式计算出扩散多元节基体的扩散系数，
；
其中, 为扩散多元节基体的厚度，/>为扩散多元节基体的充氢滞后时间；
以扩散多元节基体的扩散系数作为扩散多元节的扩散系数，计算出扩散多元节的预估厚度/>以及扩散多元节的预估充氢滞后时间/>；
；
其中，为充氢时间，/>为充氢结束后至试样安装至检测设备所需时间，/>为待测区域定位所需时间，/>为备用时间，优选的，备用时间设置为至少1min。
其中的取值大于3mm，主要原因在于，厚度大于3mm即使所制备的扩散多元节满足“扩散多元节的扩散距离不小于400µm，且扩散元素经过EPMA检测后的元素含量曲线上元素的含量梯度不大于1.28%/µm，待测区域横向两侧外延至少2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比不大于5%。”其本身也会对检测结果的准确性产生影响，厚度越厚越容易出现厚度方向合金成分不均匀，出现背景技术里提到的测量处的氢扩散系与实际不相符的问题；厚度越薄容易出现充氢滞后时间较短，操作人员无法进行充氢、试样安装、寻找点位以及测量等工作，因此基于扩散多元节基体的氢扩散系数，以此来确定扩散多元节的充氢时间和厚度，可以大大提高检测的准确性以及检测的有效性。
所述试样边长优选10~20mm。
所述待测区域垂直小锭与扩散多元节基体交界，确定待测区域时，扫描长度应大于1mm。所述待测区域采用纳米压痕进行位置标记定位，所述纳米压痕的深度为200-500nm。所述纳米压痕包括多个，间距至少为50um。结合EPMA成分测试的结果，利用纳米压痕在梯度范围内选取表面光洁的区域进行标记，如有多个标记点应尽量控制等间距，间距以50um为宜；纳米压痕控制压入深度应在原子力显微镜扫描范围内，过深会对探针造成磨损甚至损坏仪器；同时压入深度不宜过浅，否则不利于快速定位；压入深度以200-500nm为宜。
所述充氢参数为：0.1~0.3mol/L的NaOH与0.2~0.3g/L硫脲的混合溶液，充氢电流密度i = 4~6mA/cm2。充氢溶液与充氢电流密度应前后控制一致，且充氢电流密度不宜过大，电解液浓度不宜过高，因为表面电势在低氢浓度下更敏感。充氢时间的控制应考虑实际操作的具体情况，包括取下样品及转移至扫描台以及寻找扫描区域的时间，以及氢在样品中的扩散快慢。
SKPFM检测到电势先降低至平稳再升高的过程，则数据有效；
利用下式：
计算出待测区域各成分点对应的氢扩散系数，其中，/>为扩散多元节的厚度，为扩散多元节的充氢滞后时间。
最终记录的接触电势差随时间变化情况为从开始充氢至扫描的时间，其中从充氢装置取下至扫描台开始扫描的时间都应计算在内，扫描区域应与充氢前原位。将扫描速度视为恒定，记录选取的每一点在每张电势图上对应的时间及电势。
对于厚度为L的试样，在其电势-时间-成分图上找到对应达到稳态渗透通量63%处的时间t0.63，根据公式计算氢扩散系数D。
本发明利用扫描开尔文探针力显微镜测量扩散多元节试样初始表面电势，然后进行电化学单面充氢，随后立即取下至扫描台对另一面进行连续扫描，获取同一区域的接触电势差变化，以表征氢扩散行为；根据试样厚度和充氢滞后时间计算试样材料的氢扩散系数。
SKPFM测氢的原理是氢的侵入会降低试样表面功函数，试样功函数的变化会改变接触电势差的大小，因而通过扫描开尔文探针力显微镜监测表面电势的变化即可得到氢的扩散行为规律。
根据这一原理利用SKPFM观测氢扩散行为的主要步骤是：先扫描充氢前的初始接触电势差，确定表征区域；随后将氢渗透扩散进入材料内部；最后通过连续扫描试样表面同一区域观测接触电势差随时间的变化。
为了便于对上述技术方案进行阐述，本发明采用36MnB5作为合金铸锭，设置于所述基体两侧的Ti、Nb、V、Cr、Mo、C小锭，按照质量比添加0.6wt%相应的待扩散元素。本发明所采用的36MnB5基体的抗拉强度至少为2000MPa，各种元素的小锭硬度比36MnB5基体更高。
本申请中所采用的36MnB5成分如表1所示。
表1 高强合金钢36MnB5成分
具体的，如图4所示，所述Ti、Cr、C小锭位于所述基体一侧，且C小锭位于Ti、Cr小锭之间；所述Nb、Mo、V小锭位于所述基体另一侧，且Mo小锭位于Nb、V小锭之间。通过上述布置一方面可以检测待扩散元素通过小锭扩散到基体中的所形成的检测区，另一方面可以检测Ti、Cr小锭分别与C小锭扩散所形成的检测区，以及Nb、V小锭分别与Mo小锭扩散所形成的检测区，提高了试验的通量。
本发明实施例中，各样品的尺寸为：36MnB5基体：15×5×7mm；Ti、Nb、V、Cr、Mo、C小锭：5×5×7mm；多元节包套尺寸：21×21×7mm，内部镂空尺寸：15×15×7mm；封盖尺寸（2个）：21×21×3mm，密封套为Ni保护壳。
热等静压工艺为在温度为1100℃，压力120MPa保持2.5h。退火工艺为在1050℃下保持30天，水淬即可得到马氏体结构。采用线切割工艺将制备好的扩散多元节切割至所需厚度。
为了更好的说明本发明的实施方式，下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明实施例提供了基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，包括：制备36MnB5基体的扩散多元节；采用传统双电解池氢渗透法对36MnB5基体氢扩散系数进行测量；基于36MnB5基体的氢扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度。
通过下式计算出36MnB5基体的扩散系数，
；
其中, 为扩散多元节基体的厚度，/>为扩散多元节基体的充氢滞后时间。
以扩散多元节基体的扩散系数作为扩散多元节的扩散系数，计算出扩散多元节的预估厚度/>以及扩散多元节的预估充氢滞后时间/>；
；
其中，为充氢时间，/>为充氢结束后至试样安装至检测设备所需时间，/>为待测区域定位所需时间，/>为备用时间，优选的，备用时间设置为至少1min。
经过计算，选取充氢时间为40min，扩散多元节的厚度为1.7mm。
如图5所示，经过测量扩散元素的扩散距离为400µm，且含量曲线上元素的含量最大梯度为1.25%/µm，通过对待测区域横向两侧外延2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比为4%。
其次对所述试样进行打磨抛光，将厚度为1.7mm的扩散多元节用砂纸打磨至4000目，采用粒度为0.5um的金刚石抛光喷雾，抛光30min，随后采用粒度为0.02um的二氧化硅悬浊液振动抛光5h。
对所述扩散多元节进行EPMA检测以确定待测区域。分别对添加元素C、Cr、V、Ti、Nb、Mo小锭和基体的界面附近进行EPMA测试，其中扫描区域为垂直界面的线段。自小锭到基体的方向成分明显由高到低的区域即为扩散区域。用显微硬度计对该区域进行初步标记。在成分梯度变化最明显的区域内选取一至多个表面洁净组织清晰的30*30um大小的位置，用纳米压痕仪进一步标记，其中压入深度控制在500nm以内，压痕点间距50um。
以Cr小锭和基体的扩散为例，确保表面稳定，如图6所示，采用SKPFM，充氢后采用SKPFM在待测区域进行电动势的测量，预充氢样品SKPFM表面电视观测如图7所示，图8展示了扫描区域电势与时间的关系图。
计算各成分点对应的氢扩散系数，通过计算，得到A到G点的Cr含量与氢扩散系数如表2所示。
表2 实施例1各测量点的Cr元素含量以及与之匹配的氢扩散系数
实施例2
本发明实施例提供了基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，包括：制备36MnB5基体的扩散多元节；采用传统双电解池氢渗透法对36MnB5基体氢扩散系数进行测量；基于36MnB5基体的氢扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度。
通过计算选取充氢时间为50min，扩散多元节的厚度为2.0mm。
经过测量扩散元素的扩散距离为450µm，且含量曲线上元素的含量梯度为1.28%/µm，通过对待测区域横向两侧外延2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比为3.8%。
其次对所述试样进行打磨抛光，将厚度为2.0mm的扩散多元节用砂纸打磨至5000目，采用粒度为1.0um的金刚石抛光喷雾，抛光40min，随后采用粒度为0.08um的二氧化硅悬浊液振动抛光5h。
对所述扩散多元节进行EPMA检测以确定待测区域。分别对添加元素C、Cr、V、Ti、Nb、Mo小锭和基体的界面附近进行EPMA测试，其中扫描区域为垂直界面的线段。自小锭到基体的方向成分明显由高到低的区域即为扩散区域。用显微硬度计对该区域进行初步标记。在成分梯度变化最明显的区域内选取一至多个表面洁净组织清晰的30*30um大小的位置，用纳米压痕仪进一步标记，其中压入深度控制在500nm以内，压痕点间距50um。
以Cr小锭和基体的扩散为例，确保表面稳定，充氢后采用SKPFM在待测区域进行电动势的测量。
分别选取与实施例A-G合金含量相同的点，计算各成分点对应的氢扩散系数，通过计算，得到A到G点的Cr含量与氢扩散系数如表3所示。
表3 实施例2各测量点的Cr元素含量以及与之匹配的氢扩散系数
实施例3
本发明实施例提供了基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，包括：制备36MnB5基体的扩散多元节；采用传统双电解池氢渗透法对36MnB5基体氢扩散系数进行测量；基于36MnB5基体的氢扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度；
通过计算选取充氢时间为60min，扩散多元节的厚度为3.0mm；
经过测量扩散元素的扩散距离为430µm，且含量曲线上元素的含量梯度为1.28%/µm，通过对待测区域横向两侧外延2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比为4.3%。
其次对所述试样进行打磨抛光，将厚度为3.0mm的扩散多元节用砂纸打磨至5000目，采用粒度为1.5um的金刚石抛光喷雾，抛光50min，随后采用粒度为0.10um的二氧化硅悬浊液振动抛光5h。
对所述扩散多元节进行EPMA检测以确定待测区域。分别对添加元素C、Cr、V、Ti、Nb、Mo小锭和基体的界面附近进行EPMA测试，其中扫描区域为垂直界面的线段。自小锭到基体的方向成分明显由高到低的区域即为扩散区域。用显微硬度计对该区域进行初步标记。在成分梯度变化最明显的区域内选取一至多个表面洁净组织清晰的30*30um大小的位置，用纳米压痕仪进一步标记，其中压入深度控制在500nm以内，压痕点间距50um。
以Cr小锭和基体的扩散为例，确保表面稳定，充氢后采用SKPFM在待测区域进行电动势的测量。
分别选取与实施例A-G合金含量相同的点，计算各成分点对应的氢扩散系数，通过计算，得到A到G点的Cr含量与氢扩散系数如表4所示。
表4 实施例3各测量点的Cr元素含量以及与之匹配的氢扩散系数
对比例1
与实施例相比，本对比例采用熔炼铸锭的方式，制备出和A-G点相对应的铸锭，淬火成马氏体后，采用传统双电解池氢渗透法对各铸锭的氢扩散系数进行测量。
通过测量，得到A-G点Cr元素含量以及与之匹配的氢扩散系数如表5所示。
表5 对比例1各测量点的Cr元素含量以及与之匹配的氢扩散系数
对比例2
与实施例1相比，该对比例中，扩散多元节的扩散距离为350µm，且扩散元素经过EPMA检测后的元素含量曲线上元素的含量梯度为1.3%/µm，待测区域横向两侧外延2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比为5%。
分别选取与实施例A-G合金含量相同的点，计算各成分点对应的氢扩散系数，通过计算，得到A到G点的Cr含量与氢扩散系数如表6所示。
表6 对比例2各测量点的Cr元素含量以及与之匹配的氢扩散系数
对比例3
与实施例1相比，该对比例中，扩散多元节的扩散距离为450µm，且扩散元素经过EPMA检测后的元素含量曲线上元素的含量梯度为1.28%/µm，待测区域横向两侧外延2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比为5.8%。
分别选取与实施例A-G合金含量相同的点，计算各成分点对应的氢扩散系数，通过计算，得到A到G点的Cr含量与氢扩散系数如表7所示。
表7 对比例3各测量点的Cr元素含量以及与之匹配的氢扩散系数
对比例4
与实施例1相比，该对比例中，选取充氢时间为40min，扩散多元节的厚度为3.2mm。
分别选取与实施例A-G合金含量相同的点，计算各成分点对应的氢扩散系数，通过计算，得到A到G点的Cr含量与氢扩散系数如表8所示。
表8 对比例4各测量点的Cr元素含量以及与之匹配的氢扩散系数
通过实施例1和对比例1可知，本发明所提出的技术方案与采用传统测试方法的检测结果的偏差范围不超过1%，采用本发明所提供的技术方案，在D处的合金所测量的氢扩散系数偏差为0.8%，检测结果准确，可以用于高通量氢扩散系数的测试。
通过对比例1、2和3可知，当所制备的扩散多元节的扩散距离小于400µm，扩散元素的含量梯度大于1.28%/µm或待测区域横向两侧外延2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比大于5%，其测量结果相较于对比例1，其误差范围最大达到了15%，大大降低了检测的准确性。
通过实施例1、对比例1和对比例4可知，当扩散多元结的厚度大于3mm时，容易出现厚度方向合金成分不均匀，出现背景技术里提到的测量处的氢扩散系与实际不相符的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，
制备扩散多元节；
基于扩散多元节基体的氢扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度；
对所述扩散多元节进行EPMA检测以确定待测区域；
确保表面稳定，充氢后采用SKPFM在待测区域进行电动势的测量；
计算各成分点对应的氢扩散系数。
2.根据权利要求1所述的基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，所述扩散多元节为马氏体。
3.根据权利要求1所述的基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，所述扩散多元节待测区域的选择需满足：所述扩散多元节的扩散距离不小于400µm，且扩散元素经过EPMA检测后的元素含量曲线上元素的含量梯度不大于1.28%/µm，待测区域横向两侧外延至少2倍厚度的扩散多元节纵截面的扩散元素的含量偏差百分比不大于5%。
4.根据权利要求1所述的基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，制备所述扩散多元节包括：将试样进行打磨抛光，所述打磨抛光工艺为：将所述厚度的扩散多元节用砂纸打磨至至少4000目，采用粒度为0.5~1.5um的金刚石抛光喷雾，抛光30-50min，随后采用粒度为0.02~0.10um的二氧化硅悬浊液振动抛光至少5h。
5.根据权利要求1所述的基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，基于所述扩散多元节基体的扩散系数，确定扩散多元节的充氢时间和厚度包括：
通过下式计算出扩散多元节基体的扩散系数，
；
其中, 为扩散多元节基体的厚度， />为扩散多元节基体的充氢滞后时间；
以扩散多元节基体的扩散系数作为扩散多元节的扩散系数，计算出扩散多元节的预估厚度/>以及扩散多元节的预估充氢滞后时间/>；
；
其中，为充氢时间，/>为充氢结束后至试样安装至检测设备所需时间，/>为待测区域定位所需时间，/>为备用时间。
6.根据权利要求1所述的基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，所述待测区域垂直小锭与扩散多元节基体交界，确定待测区域时，扫描长度应大于1mm。
7.根据权利要求1所述的基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，所述待测区域采用纳米压痕进行位置标记定位，所述纳米压痕的深度为200-500nm。
8.根据权利要求7所述的基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，所述纳米压痕包括多个，间距至少为50um。
9.根据权利要求5所述的基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，所述充氢参数为：0.1~0.3mol/L的NaOH与0.2~0.3g/L硫脲的混合溶液，充氢电流密度i= 4~6mA/cm2。
10.根据权利要求1所述的基于扩散多元节及SKPFM测量氢扩散系数的方法，其特征在于，SKPFM检测到电势先降低至平稳再升高的过程，则数据有效；
利用下式：
；
计算出待测区域各成分点对应的氢扩散系数，其中，/>为扩散多元节的厚度，/>为扩散多元节的充氢滞后时间。
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