研究动载条件下金属在介质中氢渗透行为的装置及方法

摘要

本发明是涉及研究金属氢渗透行为的装置，具体地说是一种研究金属材料在动载条件下、任意介质中氢渗透行为的装置及方法，A3钢棒固定在试样内部，试样穿过电解池并且工作段置于电解池内部，试样为“工”字形圆柱，内部中空，A3钢棒置于试样内、并与试样之间留有空隙，A3钢棒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，试样的内壁及A3钢棒的外表面镀有镀镍层，在试样与A3钢棒之间灌有NaOH的二次蒸馏水溶液。本发明可测量动载条件下金属材料在介质中的氢渗透电流，弥补了现有电解池只能测量试件未受力条件下的氢渗透电流的不足。

说明书

技术领域

本发明是涉及研究金属氢渗透行为的装置，具体地说是一种研究金属材料在动载条件下、任意介质中氢渗透行为的装置及方法。

背景技术

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，直至断裂，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。

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，金属在易发生腐蚀反应的环境中使用时一般采用阴极保护的防腐蚀措施，在阴极保护电位下，相当于金属处于长期稳定的充氢状态。因此，有必要研究金属材料在其应用介质中、对其施加电位时的氢渗透行为。目前多采用Devnathan-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。

毋庸置疑，如果能得到动载条件下金属材料在介质中的氢渗透行为，即在一次实验中同时得到慢应变拉伸曲线(Stain-stress)和氢渗透电流随时间、应力、应变的变化，就可以获得金属材料在该介质中的应力腐蚀开裂敏感性与氢渗透行为之间的关系，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Devnathan-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氢渗透行为研究的不足，本发明的目的在于提供一种研究动载条件下金属在介质中氢渗透行为的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括电解池、试样及A3钢棒、第一参比电极和第一辅助电极，A3钢棒固定在试样内部，试样穿过电解池并且工作段置于电解池内部。

其中：所述电解池包括上盖、圆筒状侧壁及底板，底板固接在圆筒状侧壁的下端，上盖位于圆筒状侧壁的上端、并通过螺栓与圆筒状侧壁、底板相连接，上盖与底板上均开有等大的同心圆孔，上盖上在同心圆孔的一侧设有介质孔、另一侧设有鲁金毛细管插孔；试样与底板、上盖的接缝处通过密封胶密封；所述试样作为公用的工作电极，A3钢棒同时作为参比电极和辅助电极，试样与A3钢棒及试样与第一参比电极和第一辅助电极构成两套三电极体系，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，A3钢棒置于试样内、并与试样之间留有空隙，A3钢棒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，试样的内壁及A3钢棒的外表面镀有镀镍层，在试样与A3钢棒之间灌有NaOH的二次蒸馏水溶液；试样为“工”字形，两端制有外螺纹。

本发明的方法为：将内部带有A3钢棒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，在电解池中倒入实验介质，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，

具体步骤为：

1)将试样内壁及A3钢棒的外表面镀镍，镀镍液为250g/L硫酸镍[NiSO₄.6H₂O]、45g/L氯化镍[NiCl₂.6H₂O]、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A3钢棒放入试样内部，用环氧树脂固定，再在试样内壁与A3钢棒之间灌满NaOH的二次蒸馏水溶液，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)将试样与第一参比电极和第一辅助电极两套三电极体系通过导线分别与数据采集器的端口连接，并设定对试样施加的压力；

4)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，通过试样与A3钢棒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℃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腐蚀介质中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.本研究装置在试样内壁及A3钢棒的外表面均镀有镍层，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.本研究方法所采用的装置成本低，操作简单，精度高，很少量的氢渗透量的变化也能够通过测量氢渗透电流的变化反映出来。

4.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.本发明装置由两套三电极体系构成，一套用于测量氢渗透电流，另一套用于对试样施加电位，因此本发明不仅可以测量试样在自腐蚀电位下的氢渗透电流，而且可以用于测量对试样施加电位时的氢渗透电流，同时能够同时研究应力、应变以及电位的共同影响。

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。

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、作为公用工作电极的试样1、固定在其内部的A3钢棒2、第一参比电极12及第一辅助电极13。试样1穿过电解池并且工作段在电解池内部，试样1作为公用工作电极，A3钢棒2同时作为参比电极和辅助电极。试样1与A3钢棒2，试样1与第一参比电极12和第一辅助电极13构成两套三电极体系，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3、圆筒状侧壁4及底板5，底板5粘接在圆筒状侧壁4的下端，上盖3位于圆筒状侧壁4的上端、并通过四个螺栓11与圆筒状侧壁4和底板5相连接，三者连接成完整的电解池。上盖3和底板5上开有等大同心圆孔6。上盖3上在同心圆孔6的一侧设有介质孔7，另一侧设有鲁金毛细管插孔8，鲁金毛细管14通过鲁金毛细管插孔8插在上盖3上，实验时第一参比电极12插入鲁金毛细管14中。上盖3可以自由拿下，便于装入试样1，在装入试样1后在电解池内部可用密封胶将试样1与底板5的接缝处密封。第一辅助电极13有多块，在圆筒状侧壁4的内壁上均匀分布、外壁上用导线将多个第一辅助电极13相连接。

如图4、图5所示，试样1为“工”字形圆柱，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9。试样1的内部中空，实心的A3钢棒2置于试样1内部、并与试样1之间留有空隙，保证A3钢棒2与试样1的内壁不接触。A3钢棒2的一端通过环氧树脂10固定在试样1的内壁上，另一端通过中部带孔的有机玻璃塞15密封，试样1的内壁及A3钢棒2的外表面镀有镀镍层16，在试样1与A3钢棒2之间灌有NaOH的二次蒸馏水溶液。

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1内部作为阳极池。先把内壁镀镍的试样1和外表面镀镍的A3钢棒2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A3钢棒2置入试样1的内部，A3钢棒2的一端通过环氧树脂10固定在试样1的空腔内，待环氧树脂10固化后，在试样1的内壁和A3钢棒2之间灌满NaOH的二次蒸馏水溶液，该溶液用NaOH的优级纯试剂与二次蒸馏水配制，然后用中部带孔的有机玻璃塞15密封，A3钢棒2的上端穿出有机玻璃塞15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1与中空钢棒的接缝处涂封。把两端螺纹连接中空钢棒的试样1放入圆筒状侧壁4并由底板5上的同心圆孔6穿出，将试样1与底板5的接缝处用密封胶涂封。盖上带有鲁金毛细管14的电解池上盖3，只保留试样1的工作段在电解池的内部，用螺栓11紧固使电解池成为一个整体，上盖3与试样1的接缝处通过密封胶进行密封。再将实验介质从上盖3上的介质孔7倒入到电解池中，然后用橡胶密封塞将介质孔7密封。把第一参比电极12插入鲁金毛细管14中。之后，将与试样1两端螺纹连接的中空钢棒与慢应变速率拉伸机连接，选择拉伸速率，对试样1进行拉伸。拉伸之前，作为工作电极的试样1与同时作为参比电极和辅助电极的A3钢棒2、试样1与第一参比电极12和第一辅助电极13两套三电极体系通过导线分别与数据采集器的端口连接，并设定好要对试样施加的压力。通过试样1与第一参比电极12和第一辅助电极13这套三电极体系就可以对试样施加任意压力，通过试样1与A3钢棒2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。

慢应变速率拉伸实验为恒定速率拉伸实验，当所需拉力突然变为很小(几乎是背景值)时，表明试样1已经被拉断。应立即停止采集实验数据，关掉慢应变速率拉伸机，把中空钢棒从试验机上卸下，取下第一参比电极12，然后小心取出断成两个的试样1。试样1从介质中拿出后立即用蒸馏水冲洗干净，冷风吹干后放入纸袋，然后放入干燥器保存。把实验介质从介质孔7倒出，松开螺栓11，拿下上盖3，拿出鲁金毛细管14，然后把电解池洗净晾干。

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1的内壁与A3钢棒2的外表面镀镍，镀镍液为Watt’s bath(250g/L硫酸镍[NiSO₄.6H₂O]，45g/L氯化镍[NiCl₂.6H₂O]，40g/L硼酸[H₃BO₃])，试样1的内壁镀镍层厚度约为180nm，A3钢棒2镀镍层的厚度稍厚于试样1的内壁镀镍层厚度。本实施例中被拉伸试样为“工”字形的圆柱，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；A3钢棒直径为3.2mm。

为了使实验结果更有可比性和说服力，本发明的拉伸实验应在0～60℃下进行。