專利名稱：靜載拉應(yīng)力下金屬在氣態(tài)介質(zhì)中氫滲透行為的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及研究金屬氫滲透行為的裝置及方法，具體地說(shuō)是一種研究金屬在靜態(tài)拉應(yīng)力條件下，在氣態(tài)介質(zhì)中氫滲透行為的裝置及方法。
背景技術(shù)：
氫脆型應(yīng)力腐蝕開裂行為是金屬在大氣環(huán)境中服役時(shí)嚴(yán)重影響材料安全性的一個(gè)因素。金屬材料在熱處理、酸洗、電鍍和焊接等過(guò)程中吸收的內(nèi)氫以及與大氣環(huán)境中的酸性氣體如H2S, SO2或(X)2等接觸或者在陰極保護(hù)條件下滲入到金屬基體中的外氫都會(huì)引起敏感金屬材料的韌性降低以及物理或化學(xué)性能的降級(jí)，影響其服役安全性。尤其是金屬材料在受拉應(yīng)力條件下，氫更容易與材料產(chǎn)生交互作用而引發(fā)材料的氫脆。毋庸置疑，在氣態(tài)介質(zhì)中，處于拉應(yīng)力狀態(tài)的金屬的氫滲透行為在很大程度上決定了金屬的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。因此，有必要研究金屬在氣態(tài)介質(zhì)中，在靜載拉伸條件下的氫滲透行為，并研究拉伸應(yīng)力以及氣體尤其是酸性氣體對(duì)金屬氫滲透行為的交互影響。目前金屬的氫滲透測(cè)試主要基于Devanathan-Stachurski雙面電解池原理，且已有的雙電解池多采用兩邊均為溶液的液態(tài)氫滲透裝置，難以實(shí)現(xiàn)氣態(tài)條件下測(cè)量氫滲透電流的目的。另外，靜載拉應(yīng)力對(duì)氣態(tài)氫滲透行為的影響，目前也沒有合理評(píng)價(jià)的裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前方法對(duì)研究氫滲透行為的不足，本發(fā)明的目的是提供一種適合研究靜載拉應(yīng)力條件下的金屬在氣態(tài)介質(zhì)中氫滲透行為的裝置及方法。本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明是一種靜載拉應(yīng)力條件下金屬在氣態(tài)介質(zhì)中氫滲透行為的裝置，包括加熱裝置(1)、拉伸裝置、電解池和儲(chǔ)液/氣瓶(21)，所述的加熱裝置⑴為恒溫水浴鍋，用于控制環(huán)境池(10)內(nèi)溫度，所述的拉伸裝置由支撐板(3)、支撐柱(4)和拉伸鈦合金棒(6)組成，支撐板(3)與支撐柱由螺栓02)連接，拉伸鈦拉伸棒(6)穿過(guò)支撐板(3)中心并由堅(jiān)固螺母0 防止前后移動(dòng)，靜載拉應(yīng)力由旋進(jìn)堅(jiān)固螺母( 壓緊彈簧(7)來(lái)提供，旋進(jìn)距離根據(jù)胡克定律由所需加拉應(yīng)力大小決定，所述的電解池包括陽(yáng)極池(8)及陽(yáng)極池上蓋(9)、環(huán)境池(10)及環(huán)境池上蓋(11)。陽(yáng)極池(8)和陽(yáng)極池上蓋(9)、環(huán)境池(10)及環(huán)境池上蓋(11)、陽(yáng)極池(8)與環(huán)境池(10)之間分別用螺栓連接緊固，陽(yáng)極池上蓋(9)位于陽(yáng)極池(8)上端，環(huán)境池上蓋(11)位于環(huán)境池(10)上端，陽(yáng)極池(8)下端與環(huán)境池(10) 上端均開有等大的同心圓孔(12)，陽(yáng)極池上蓋(9)上在中心處設(shè)有輔助電極插孔(23)，旁邊設(shè)有參比電極插孔(對(duì))，環(huán)境池(10)開有進(jìn)氣口(1 與出氣口(16)，接縫處用硅膠涂封，試樣、參比電極和輔助電極構(gòu)成三電極體系，并分別引出導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器的相應(yīng)端口相連，所述的儲(chǔ)液/氣瓶通過(guò)耐酸硅膠管00)與環(huán)境池(10)相連接，儲(chǔ)儲(chǔ)液/氣瓶(21)上端用膠塞密封，膠塞上開有進(jìn)氣口(17)、出氣口(18)和(19)，試樣⑵穿過(guò)電解池并且工作段在電解池內(nèi)部，在電解池外面的非工作段可通過(guò)螺栓02)連接到拉伸裝置上。一種采用權(quán)利要求1所述的研究靜載拉應(yīng)力條件下金屬在氣態(tài)介質(zhì)中氫滲透行為的裝置的方法，將試樣固定在陽(yáng)極池(8)下端口與環(huán)境池(10)下端口之間，并將整個(gè)電解池安裝在拉伸裝置上，并給試樣施加一定應(yīng)力，在陽(yáng)極池(8)中倒入0.1 mol/L的NaOH 溶液，給試樣施加0.3V恒電位至殘余電流穩(wěn)定，儲(chǔ)液/氣瓶中的實(shí)驗(yàn)溶液除氧2 h后壓入環(huán)境池(10)，由恒溫水浴鍋⑴加熱使環(huán)境池(10)形成一定溫濕度的氣態(tài)氣氛，測(cè)量試樣在靜載拉應(yīng)力條件下在氣態(tài)氣氛中的氫滲透電流，其具體步驟為
1)將試樣用1000號(hào)砂紙打磨后鍍鎳，鍍鎳液為250 g/L硫酸鎳(NiS04*6H20)、45 g/ L氯化鎳(NiCl2)、40 g/L硼酸(H3BO4)的混合液。鍍鎳后試樣用酒精清洗，冷風(fēng)吹干，固定在陽(yáng)極池(8)的下部開口與環(huán)境池(10)的上部開口之間，接縫處用硅膠涂封；
2)將試樣兩端連同電解池連接到拉伸裝置的2根鈦合金拉伸棒(6)上，并通過(guò)旋進(jìn)螺母( 壓緊彈簧(7)施加應(yīng)力，根據(jù)需加應(yīng)力的大小確定螺母的前進(jìn)的距離；
3)將0.1 mol/L的NaOH溶液倒入陽(yáng)極池(8)，深度以能沒過(guò)輔助電極(13)和參比電極(14)為準(zhǔn)。將固定有輔助電極(13)和參比電極(14)的陽(yáng)極池上蓋(9)和陽(yáng)極池(10) 密封在一起。陽(yáng)極池(8)中的三電極通過(guò)導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，給試樣( 施加0.3 V 恒電位至殘余電流穩(wěn)定；4 )在進(jìn)行步驟⑷時(shí)由儲(chǔ)液/氣瓶的進(jìn)氣口(17)通入N2, 關(guān)閉出氣口(19)進(jìn)行除氧2 h。待步驟結(jié)束后打開出氣口(19)同時(shí)關(guān)閉(18)，隊(duì)將儲(chǔ)液/氣瓶中除過(guò)氧的實(shí)驗(yàn)溶液壓到環(huán)境池(10)中，水浴保溫從而在環(huán)境池(10)中形成一定溫、濕度的氣態(tài)氣氛。如果直接用酸性氣體作為環(huán)境池氣氛，則直接從進(jìn)入口(15) 通入。用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄氫滲透電流隨時(shí)間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)本發(fā)明提供一套適合研究靜載拉應(yīng)力條件下金屬在氣態(tài)介質(zhì)中氫滲透行為的測(cè)試裝置和方法，彌補(bǔ)了現(xiàn)有電解池不能測(cè)試氣態(tài)環(huán)境中受力樣品的氫滲透行為的不足。(2)本發(fā)明所采用的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同拉應(yīng)力條件下試樣連續(xù)記錄氫滲透電流，并且通過(guò)陽(yáng)極池可以對(duì)試樣施加不同電位，可以綜合研究應(yīng)力大小、電位及不同PH酸性大氣對(duì)金屬氫滲透電流的影響。(3)本發(fā)明所采用的裝置自成體系，除數(shù)據(jù)采集外不需要其他設(shè)備配套使用，操作簡(jiǎn)單，精度高，可以反映很少量的氫滲透電流的變化。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為拉伸裝置的俯視圖。圖3為電解池結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.恒溫水浴鍋；2.試樣；3.支撐板；4.支撐柱；5.緊固螺母；6.鈦合金拉伸棒；7.彈簧；8.陽(yáng)極池；9.陽(yáng)極池上蓋；10.環(huán)境池；11.環(huán)境池上蓋；12.電解池開口；13.輔助電極；14.參比電極；；15.進(jìn)液/氣口；16.出氣口；17.進(jìn)氣口；18.出氣口；19.出氣口；20.耐酸硅膠管；21.儲(chǔ)液/氣瓶；22.螺栓；23.輔助電極插口；24. 參比電極插口。實(shí)施例本發(fā)明包括加熱裝置、拉伸裝置、電解池以及儲(chǔ)液/氣瓶01)。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2中的拉伸裝置的支撐板(3)和支撐柱(4)選用高強(qiáng)度鋼，拉伸棒(6)選用耐酸耐堿腐蝕的鈦合金。圖3中的陽(yáng)極池(8)及陽(yáng)極池上蓋(9)、環(huán)境池(10)及環(huán)境池上蓋(11)均采用耐酸堿、耐高溫有機(jī)玻璃制作。圖2中拉伸裝置中的支撐板(3)和支撐柱⑷通過(guò)4個(gè)螺栓連結(jié)，2根鈦合金拉伸棒(6)插在支撐板C3)的孔內(nèi)，伸在外面的兩端有螺紋，通過(guò)堅(jiān)固螺母( 防止前后移動(dòng)。彈簧的材質(zhì)為錳合金，旋進(jìn)堅(jiān)固螺母(5)時(shí)可以壓緊彈簧(7)從而給試樣提供拉應(yīng)力。如圖3所示，電解池包括陽(yáng)極池⑶及陽(yáng)極池上蓋(9)、環(huán)境池(10)及環(huán)境池上蓋 (11)。陽(yáng)極池上蓋(9)位于陽(yáng)極池(8)上端，環(huán)境池上蓋(11)位于環(huán)境池(10)上端，分別用4個(gè)螺栓02)連接；陽(yáng)極池(8)的下端和環(huán)境池(10)的上端開有等大的同心圓孔(12)， 兩者之間插入試樣( 后用4個(gè)螺栓0 連接，因此二者連接成完整的電解池。同時(shí)用硅膠將接縫處涂封。試樣伸出電解池的2個(gè)拉伸端與鈦合金拉伸棒(6)通過(guò)螺栓0 連接， 則拉伸裝置與電解池連接在一起。陽(yáng)極池上蓋(9)上的中心處設(shè)有輔助電極插孔(23)，旁邊1 cm處設(shè)有參比電極插孔(M)，輔助電極(13)和參比電極(14)分別插入孔(23)和(M)，并用硅膠密封后伸入到陽(yáng)極池內(nèi)部，陽(yáng)極池上蓋(9)可以自由取下，便于倒入溶液。試樣(2)作為工作電極組成三電極體系，三個(gè)電極引出導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器相應(yīng)端口相連。如圖1和圖2所示，試樣⑵為片狀試樣，中間部分為工作段，兩端為非工作段。工作段固定在陽(yáng)極池(8)和環(huán)境池(10)之間并與上下氣氛相接觸。試樣工作段的單面鍍鎳， 且鍍鎳面朝向環(huán)境池。儲(chǔ)液瓶/氣瓶通過(guò)耐酸硅膠管OO)與環(huán)境池(10)下部的進(jìn)氣口(15)相連，為環(huán)境池提供酸性溶液或氣體。實(shí)驗(yàn)溶液除氧時(shí)可從進(jìn)氣口(17)通入隊(duì)，打開出氣口 (18)并將其水封，并關(guān)閉出氣口(19)。如果需要通入氣體，則直接從環(huán)境池(10)的進(jìn)氣口 (15)通入。將圖3中的電解池安裝圖2所示的拉伸裝置上，并旋進(jìn)緊固螺母(5)對(duì)試樣⑵施加拉伸應(yīng)力。螺母旋進(jìn)的距離由所需拉應(yīng)力決定。在陽(yáng)極池(8)內(nèi)倒入0. 1 mol/L的NaCl 溶液作為介質(zhì)，將三電極連接到數(shù)據(jù)收集器的相應(yīng)端口，并給試樣( 施加0.3 V恒電位以除去試樣中原有的內(nèi)氫，測(cè)試析氫量隨時(shí)間的變化。同時(shí)打開出氣口(18)并水封之，關(guān)閉出氣口(19)，從進(jìn)氣口(17)通入N2以除去儲(chǔ)液/氣瓶中溶液中的02。除氧2 h后關(guān)閉進(jìn)氣口(17)和出氣口(18)。當(dāng)內(nèi)氫析出量達(dá)到穩(wěn)定值后，打開進(jìn)氣口(17)通入N2將儲(chǔ)液瓶/氣瓶中的溶液壓到環(huán)境池(10)中。用恒溫水浴鍋(1)加熱環(huán)境池(10)以保護(hù)恒定的溫度的大氣氣氛。記錄析氫電流隨時(shí)間的變化曲線，當(dāng)氫原子達(dá)到穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散后，析氫電流達(dá)到最大值，停止記錄數(shù)據(jù)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將電解池從拉伸裝置上取下，并取下上蓋(9)，把陽(yáng)極池⑶中的NaOH 溶液倒出，環(huán)境池(10)中的溶液從出氣口(15)倒出并回收。小心取下試樣(2)并立即用去離子水沖洗，冷風(fēng)吹干后放入干燥皿中。然后將電解池洗凈晾干。
本發(fā)明中試樣尺寸為長(zhǎng)140 mm，寬22 mm，厚度0. 5mm ；試樣用1000號(hào)砂紙打磨后， 單面鍍鎳(鍍鎳液為250 g/L硫酸鎳[NiS04*6H20]、45 g/L氯化鎳[NiCl2]、40 g/L硼酸 [H3BO4]的混合液)。充氫氣氛為0.5 mol/L H2S04+0. 25 g/L As2O3溶液在水浴下形成的氣態(tài)環(huán)境，也可為酸性氣體如&S，SO2或(X)2環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種靜載拉應(yīng)力下金屬在氣態(tài)介質(zhì)中氫滲透行為的裝置，其特征是包括加熱裝置 (1)、拉伸裝置、電解池和儲(chǔ)液/氣瓶(21)，所述的加熱裝置⑴為恒溫水浴鍋，用于控制環(huán)境池(10)內(nèi)溫度，所述的拉伸裝置由支撐板(3)、支撐柱(4)和拉伸鈦合金棒(6)組成，支撐板(3)與支撐柱由螺栓連接，拉伸鈦拉伸棒(6)穿過(guò)支撐板(3)中心并由堅(jiān)固螺母0 防止前后移動(dòng)，靜載拉應(yīng)力由旋進(jìn)堅(jiān)固螺母( 壓緊彈簧(7)來(lái)提供，旋進(jìn)距離根據(jù)胡克定律由所需加拉應(yīng)力大小決定，所述的電解池包括陽(yáng)極池⑶及陽(yáng)極池上蓋(9)、 環(huán)境池(10)及環(huán)境池上蓋(11)，陽(yáng)極池(8)和上蓋(9)、環(huán)境池(10)及環(huán)境池上蓋(11)、 陽(yáng)極池(8)與環(huán)境池(10)之間分別用螺栓連接緊固，陽(yáng)極池上蓋(9)位于陽(yáng)極池(8)上端， 環(huán)境池上蓋(11)位于環(huán)境池(10)上端，陽(yáng)極池(8)下端與環(huán)境池(10)上端均開有等大的同心圓孔(12)，陽(yáng)極池上蓋(9)上在中心處設(shè)有輔助電極插孔(23)，旁邊設(shè)有參比電極插孔(M)，環(huán)境池(10)開有進(jìn)氣口(15)與出氣口(16)，接縫處用硅膠涂封，試樣、參比電極和輔助電極構(gòu)成三電極體系，并分別引出導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器的相應(yīng)端口相連，所述的儲(chǔ)液/ 氣瓶通過(guò)耐酸硅膠管00)與環(huán)境池(10)相連接，儲(chǔ)儲(chǔ)液/氣瓶上端用膠塞密封，膠塞上開有進(jìn)氣口(17)、出氣口(18)和(19)，試樣⑵穿過(guò)電解池并且工作段在電解池內(nèi)部，在電解池外面的非工作段通過(guò)螺栓0 連接到拉伸裝置上。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的靜載拉應(yīng)力下金屬在氣態(tài)介質(zhì)中氫滲透行為的裝置的方法，其特征為將試樣固定在陽(yáng)極池(8)下端口與環(huán)境池(10)下端口之間，并將整個(gè)電解池安裝在拉伸裝置上，并給試樣施加一定應(yīng)力，在陽(yáng)極池(8)中倒入0.1 mol/L的NaOH溶液，給試樣施加0.3V恒電位至殘余電流穩(wěn)定，儲(chǔ)液/氣瓶中的實(shí)驗(yàn)溶液除氧2 h后壓入環(huán)境池(10)，由恒溫水浴鍋⑴加熱使環(huán)境池(10)形成一定溫濕度的氣態(tài)氣氛，測(cè)量試樣在靜載拉應(yīng)力條件下在氣態(tài)氣氛中的氫滲透電流，其具體步驟為1)將試樣用1000號(hào)砂紙打磨后鍍鎳，鍍鎳液為250 g/L硫酸鎳、45 g/L氯化鎳、40 g/L硼酸的混合液；鍍鎳后試樣用酒精清洗，冷風(fēng)吹干，固定在陽(yáng)極池(8)的下部開口與環(huán)境池(10)的上部開口之間，接縫處用硅膠涂封；2)將試樣兩端連同電解池連接到拉伸裝置的2根鈦合金拉伸棒(6)上，并通過(guò)旋進(jìn)螺母( 壓緊彈簧(7)施加應(yīng)力，根據(jù)需加應(yīng)力的大小確定螺母的前進(jìn)的距離；3)將0.1 mol/L的NaOH溶液倒入陽(yáng)極池(8)，深度以能沒過(guò)輔助電極(13)和參比電極(14)為準(zhǔn)；將固定有輔助電極(1 和參比電極(14)的陽(yáng)極池上蓋(9)和陽(yáng)極池(10)密封在一起；陽(yáng)極池(8)中的三電極通過(guò)導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，給試樣(2)施加0.3 V恒電位至殘余電流穩(wěn)定；4)在進(jìn)行步驟⑷時(shí)由儲(chǔ)液/氣瓶的進(jìn)氣口(17)通入N2，關(guān)閉出氣口(19)進(jìn)行除氧2 h;待步驟(4)結(jié)束后打開出氣口(19)，同時(shí)關(guān)閉(18)，N2將儲(chǔ)液/氣瓶中除過(guò)氧的實(shí)驗(yàn)溶液壓到環(huán)境池(10)中，水浴保溫從而在環(huán)境池(10)中形成一定溫、濕度的氣態(tài)氣氛；如果直接用酸性氣體作為環(huán)境池氣氛，則直接從進(jìn)入口(1 通入；用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄氫滲透電流隨時(shí)間的變化曲線，至氫原子擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，析氫電流達(dá)到最大值，停止記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明是涉及研究金屬氫滲透行為的裝置和方法，具體地說(shuō)是研究受靜載拉應(yīng)力的金屬在氣態(tài)介質(zhì)中氫滲透行為的裝置和方法，用以研究拉應(yīng)力和氣態(tài)環(huán)境對(duì)金屬氫滲透行為的交互影響。該裝置包括加熱裝置、拉伸裝置、電解池和和儲(chǔ)液/氣瓶。待檢測(cè)試樣單面鍍鎳，固定在陽(yáng)極池下開口及環(huán)境池的上開口之間，鍍鎳層朝向環(huán)境池。試樣由拉伸裝置提供靜載拉應(yīng)力。陽(yáng)極池中的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為NaOH溶液。環(huán)境池中的實(shí)驗(yàn)溶液在水浴作用下形成氣態(tài)介質(zhì)環(huán)境。本發(fā)明可以研究受靜載拉伸應(yīng)力的金屬材料在氣態(tài)介質(zhì)中的氫滲透行為，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)拉應(yīng)力大小以及環(huán)境氣氛的控制，彌補(bǔ)了現(xiàn)有電解池不能測(cè)量受力狀態(tài)和氣態(tài)環(huán)境對(duì)金屬氫滲透行為的影響的缺陷。
文檔編號(hào)G01N27/26GK102323308SQ201110158460
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者呂超, 孫敏, 李曉剛, 肖葵, 胡亞博, 董超芳 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)