[发明专利]测定氢扩散系数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料中夹杂物扩散行为的实验分析装置和方法，特别是涉及一种氢在材料中的扩散参数的定量实验分析装置和方法，应用于材料性能检测领域和材料质量分析技术领域。

背景技术

随着国民经济的快速发展，我国对钢铁材料的需求量逐渐增大，并且对钢铁材料的性能要求越来越高。由于能源紧缺及建设资源节约型社会步伐的加快，超高强度钢板的开发应用对节约能源和保护环境具有重要的意义。但是，随着钢材强度的提高，超高强度钢板的氢脆问题也愈来愈严重，严重限制了高强钢的使用，例如孪晶诱发塑性钢(TWIP钢)、相变诱发塑性钢(TRIP钢)、双相钢(DP钢)等汽车用高强钢的氢致断裂问题都比较严重。氢脆在断裂之前无明显征兆，不容易被察觉，并且是脆性断裂，往往对人们的生命及财产造成严重破坏。

材料中的氢的来源一般有以下几种：

1.冶炼和浇铸：冶炼过程中进入炉中的水会分解形成氢，此外，燃料和保护气中碳氢化合物分解出的氢也可能进入材料中；2.酸洗和电镀：很多零件在加工过程中都会经历酸洗或电镀工序，酸洗过程金属被溶解氢离子被还原成氢原子，因此酸洗时氢原子会进入金属中，而电镀时氢离子也会在工件表面还原而进入材料内部；3.焊接：焊接时局部区域的温度可高达3000℃，这时会有大量的氢分子及水分子分解出氢原子而进入材料；4.含H₂或H₂S的环境服役：很多构件需要在含H₂或H₂S环境下服役，如应用于合成氨装置、氢反应装置、油气管道等，经过复杂的反应，环境中的氢源会进入到材料中；5.在湿空气或水中服役：当环境中有大量水分子存在时，一方面水会使不耐蚀金属发生腐蚀同时导致氢的进入，另一方面经过吸附等一系列步骤水分子与金属发生反应而使氢原子进入。

材料在制备和服役过程中不可避免的会有氢进入其中，并有可能引起氢脆使材料失效，并且后果十分严重，因此测量氢在金属材料中的扩散系数，研究氢在特定材料中扩散行为，将有助于解决这种材料的氢脆问题。

氢在材料中扩散系数的测量方法主要有电化学法和气相法两种。气相法需要提供高真空环境，并且还要提供气相氢源，设备复杂昂贵，测量工序繁复，干扰因素多，安全系数较低。而电化学法则较简单。目前用的较多的是Devanathan和Stachurski于1962年提出双电解池法，采用电化学的方法测量氢在材料中的扩散系数，研究氢在材料的扩散行为及氢脆相关机理。Devanathan-Stachurski双电解池法的原理是：以测试材料作为工作电极，阴极池通过在工作电极和对应辅助电极之间通以稳定的恒电流在工作电极的阴极面产生氢，氢原子吸附在表面后逐渐向阳极面扩散；在阳极面，通过在工作电极和对应辅助电极之间施加一恒定的电位，约为0.15~0.35V vs SCE，从阴极面扩散过来的氢原子就会被立即电解掉，而产生的电流会实时记录下来即扩散曲线，扩散曲线就是氢在所测试材料中扩散特性的反映，分析扩散曲线就可以知道有关氢在材料中扩散的相关信息，从而解释材料氢脆问题。

有关氢扩散特性的研究中，目前还没有专门的设备用于监测氢在材料中的扩散行为，现有的装置大多都是科研人员自行设计搭建的，这些装置大部分设计复杂，安装繁琐，测量结果准确度低、重复性差，并且氧气在测试过程中不断的在阴极池产生，由于除氧不彻底，导致阴极面容易发生腐蚀，使得测量结果不精确，甚至不可靠。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种测定氢扩散系数的装置及方法，能精确测定材料在不同温度下的氢扩散系数，测试温度范围为15~95℃，其除氧系统能够更彻底的除去体系中的氧气，减小由于阴极池除氧不彻底对测试结果造成的影响，更准确更可靠地获得氢在材料中的扩散系数。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：