静载拉应力下金属在气态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和方法，具体地说是研究受静载拉应力的金属在气态介质中氢渗透行为的装置和方法，用以研究拉应力和气态环境对金属氢渗透行为的交互影响。该装置包括加热装置、拉伸装置、电解池和和储液/气瓶。待检测试样单面镀镍，固定在阳极池下开口及环境池的上开口之间，镀镍层朝向环境池。试样由拉伸装置提供静载拉应力。阳极池中的实验介质为NaOH溶液。环境池中的实验溶液在水浴作用下形成气态介质环境。本发明可以研究受静载拉伸应力的金属材料在气态介质中的氢渗透行为，还可实现对拉应力大小以及环境气氛的控制，弥补了现有电解池不能测量受力状态和气态环境对金属氢渗透行为的影响的缺陷。

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及方法，具体地说是一种研究金属在静态拉应力条件下，在气态介质中氢渗透行为的装置及方法。

背景技术

氢脆型应力腐蚀开裂行为是金属在大气环境中服役时严重影响材料安全性的一个因素。金属材料在热处理、酸洗、电镀和焊接等过程中吸收的内氢以及与大气环境中的酸性气体如H₂S，SO₂或CO₂等接触或者在阴极保护条件下渗入到金属基体中的外氢都会引起敏感金属材料的韧性降低以及物理或化学性能的降级，影响其服役安全性。尤其是金属材料在受拉应力条件下，氢更容易与材料产生交互作用而引发材料的氢脆。

毋庸置疑，在气态介质中，处于拉应力状态的金属的氢渗透行为在很大程度上决定了金属的应力腐蚀开裂敏感性。因此，有必要研究金属在气态介质中，在静载拉伸条件下的氢渗透行为，并研究拉伸应力以及气体尤其是酸性气体对金属氢渗透行为的交互影响。

目前金属的氢渗透测试主要基于Devanathan-Stachurski双面电解池原理，且已有的双电解池多采用两边均为溶液的液态氢渗透装置，难以实现气态条件下测量氢渗透电流的目的。另外，静载拉应力对气态氢渗透行为的影响，目前也没有合理评价的装置和方法。

 

发明内容

为了克服目前方法对研究氢渗透行为的不足，本发明的目的是提供一种适合研究静载拉应力条件下的金属在气态介质中氢渗透行为的装置及方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现。

本发明是一种静载拉应力条件下金属在气态介质中氢渗透行为的装置，包括加热装置（1）、拉伸装置、电解池和储液/气瓶(21)，所述的加热装置(1)为恒温水浴锅，用于控制环境池(10)内温度，所述的拉伸装置由支撑板(3)、支撑柱(4)和拉伸钛合金棒(6)组成，支撑板(3)与支撑柱(4)由螺栓(22)连接，拉伸钛拉伸棒(6)穿过支撑板(3)中心并由坚固螺母(22)防止前后移动，静载拉应力由旋进坚固螺母(5)压紧弹簧(7)来提供，旋进距离根据胡克定律由所需加拉应力大小决定，所述的电解池包括阳极池(8)及阳极池上盖(9)、环境池(10)及环境池上盖(11)。阳极池(8)和阳极池上盖(9)、环境池(10)及环境池上盖(11)、 阳极池(8)与环境池(10)之间分别用螺栓连接紧固，阳极池上盖(9)位于阳极池(8)上端，环境池上盖(11)位于环境池(10)上端，阳极池(8)下端与环境池(10)上端均开有等大的同心圆孔(12)，阳极池上盖(9)上在中心处设有辅助电极插孔(23)，旁边设有参比电极插孔(24)，环境池(10)开有进气口(15)与出气口(16)，接缝处用硅胶涂封，试样、参比电极和辅助电极构成三电极体系，并分别引出导线与数据采集器的相应端口相连，所述的储液/气瓶(21)通过耐酸硅胶管(20)与环境池(10)相连接，储储液/气瓶(21)上端用胶塞密封，胶塞上开有进气口(17)、出气口(18)和(19)，试样(2)穿过电解池并且工作段在电解池内部，在电解池外面的非工作段可通过螺栓(22)连接到拉伸装置上。

一种采用权利要求1所述的研究静载拉应力条件下金属在气态介质中氢渗透行为的装置的方法，将试样固定在阳极池(8)下端口与环境池(10)下端口之间，并将整个电解池安装在拉伸装置上，并给试样施加一定应力，在阳极池(8)中倒入0.1 mol/L的NaOH溶液，给试样施加0.3V恒电位至残余电流稳定，储液/气瓶(21)中的实验溶液除氧2 h后压入环境池(10)，由恒温水浴锅(1)加热使环境池(10)形成一定温湿度的气态气氛，测量试样在静载拉应力条件下在气态气氛中的氢渗透电流，其具体步骤为：

1 ) 将试样用1000号砂纸打磨后镀镍，镀镍液为250 g/L 硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)、45 g/L 氯化镍(NiCl₂)、40 g/L 硼酸 (H₃BO₄) 的混合液。镀镍后试样用酒精清洗，冷风吹干，固定在阳极池(8)的下部开口与环境池(10)的上部开口之间，接缝处用硅胶涂封；

2 ) 将试样两端连同电解池连接到拉伸装置的2根钛合金拉伸棒(6)上，并通过旋进螺母(5)压紧弹簧(7)施加应力，根据需加应力的大小确定螺母的前进的距离；

3 ) 将0.1 mol/L的NaOH溶液倒入阳极池(8)，深度以能没过辅助电极(13)和参比电极(14)为准。将固定有辅助电极(13)和参比电极(14)的阳极池上盖(9)和阳极池(10)密封在一起。阳极池(8)中的三电极通过导线与数据采集系统相连，给试样(2)施加0.3 V恒电位至残余电流稳定；4 ) 在进行步骤(4)时由储液/气瓶(21)的进气口(17)通入N₂，关闭出气口(19)进行除氧2 h。待步骤(4)结束后打开出气口(19)同时关闭(18)，N₂将储液/气瓶(21)中除过氧的实验溶液压到环境池(10)中，水浴保温从而在环境池(10)中形成一定温、湿度的气态气氛。如果直接用酸性气体作为环境池气氛，则直接从进入口(15)通入。用数据采集系统记录氢渗透电流随时间。

与现有技术相比，本发明的具有以下优点：

(1)     本发明提供一套适合研究静载拉应力条件下金属在气态介质中氢渗透行为的测试装置和方法，弥补了现有电解池不能测试气态环境中受力样品的氢渗透行为的不足。

(2)     本发明所采用的装置能够实现对不同拉应力条件下试样连续记录氢渗透电流，并且通过阳极池可以对试样施加不同电位，可以综合研究应力大小、电位及不同pH酸性大气对金属氢渗透电流的影响。

(3)     本发明所采用的装置自成体系，除数据采集外不需要其他设备配套使用，操作简单，精度高，可以反映很少量的氢渗透电流的变化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为拉伸装置的俯视图。

图3为电解池结构示意图。

图中1. 恒温水浴锅；2. 试样；3.支撑板；4. 支撑柱；5. 紧固螺母；6. 钛合金拉伸棒；7. 弹簧；8. 阳极池；9. 阳极池上盖；10. 环境池； 11. 环境池上盖； 12. 电解池开口；13. 辅助电极；14. 参比电极；；15. 进液/气口；16. 出气口；17.进气口；18.出气口；19.出气口；20. 耐酸硅胶管；21. 储液/气瓶；22. 螺栓；23. 辅助电极插口；24. 参比电极插口。

实施例

本发明包括加热装置、拉伸装置、电解池以及储液/气瓶(21)。图1是本发明的结构示意图。图2中的拉伸装置的支撑板(3)和支撑柱(4)选用高强度钢，拉伸棒(6)选用耐酸耐碱腐蚀的钛合金。图3中的阳极池(8)及阳极池上盖(9) 、环境池(10)及环境池上盖(11)均采用耐酸碱、耐高温有机玻璃制作。

图2中拉伸装置中的支撑板(3)和支撑柱(4)通过4个螺栓(21)连结，2根钛合金拉伸棒(6)插在支撑板(3)的孔内，伸在外面的两端有螺纹，通过坚固螺母(5)防止前后移动。弹簧的材质为锰合金，旋进坚固螺母(5)时可以压紧弹簧(7)从而给试样提供拉应力。

如图3所示，电解池包括阳极池(8)及阳极池上盖(9)、环境池(10)及环境池上盖(11)。阳极池上盖(9)位于阳极池(8)上端，环境池上盖(11)位于环境池(10)上端，分别用4个螺栓(22)连接；阳极池(8)的下端和环境池(10)的上端开有等大的同心圆孔(12)，两者之间插入试样(2)后用4个螺栓(22)连接，因此二者连接成完整的电解池。同时用硅胶将接缝处涂封。试样伸出电解池的2个拉伸端与钛合金拉伸棒(6)通过螺栓(22)连接，则拉伸装置与电解池连接在一起。

阳极池上盖(9)上的中心处设有辅助电极插孔(23)，旁边1 cm处设有参比电极插孔(24)，辅助电极(13)和参比电极(14)分别插入孔(23)和(24)，并用硅胶密封后伸入到阳极池内部，阳极池上盖(9)可以自由取下，便于倒入溶液。试样(2)作为工作电极组成三电极体系，三个电极引出导线与数据采集器相应端口相连。

如图1和图2所示，试样(2)为片状试样，中间部分为工作段，两端为非工作段。工作段固定在阳极池(8)和环境池(10)之间并与上下气氛相接触。试样工作段的单面镀镍，且镀镍面朝向环境池。

储液瓶/气瓶(21)通过耐酸硅胶管(20)与环境池(10)下部的进气口(15)相连，为环境池提供酸性溶液或气体。实验溶液除氧时可从进气口(17)通入N₂，打开出气口(18)并将其水封，并关闭出气口(19)。如果需要通入气体，则直接从环境池(10)的进气口(15)通入。

将图3中的电解池安装图2所示的拉伸装置上，并旋进紧固螺母(5)对试样(2)施加拉伸应力。螺母旋进的距离由所需拉应力决定。在阳极池(8)内倒入0.1 mol/L的NaCl溶液作为介质，将三电极连接到数据收集器的相应端口，并给试样(2)施加0.3 V恒电位以除去试样中原有的内氢，测试析氢量随时间的变化。同时打开出气口(18)并水封之，关闭出气口(19)，从进气口(17)通入N₂以除去储液/气瓶(21)中溶液中的O₂。除氧2 h后关闭进气口(17)和出气口(18)。当内氢析出量达到稳定值后，打开进气口(17)通入N₂将储液瓶/气瓶(21)中的溶液压到环境池(10)中。用恒温水浴锅(1)加热环境池(10)以保护恒定的温度的大气气氛。记录析氢电流随时间的变化曲线，当氢原子达到稳态扩散后，析氢电流达到最大值，停止记录数据，结束实验。

实验结束后将电解池从拉伸装置上取下，并取下上盖(9)，把阳极池(8)中的NaOH溶液倒出，环境池(10)中的溶液从出气口(15)倒出并回收。小心取下试样(2)并立即用去离子水冲洗，冷风吹干后放入干燥皿中。然后将电解池洗净晾干。

本发明中试样尺寸为长140 mm，宽22 mm，厚度0.5mm；试样用1000号砂纸打磨后，单面镀镍（镀镍液为250 g/L 硫酸镍[NiSO₄·6H₂O]、45 g/L 氯化镍[NiCl₂]、40 g/L 硼酸 [H₃BO₄] 的混合液）。充氢气氛为0.5 mol/L H₂SO₄+0.25 g/L As₂O₃溶液在水浴下形成的气态环境，也可为酸性气体如H₂S, SO₂或CO₂环境。