[发明专利]用于无损测量氢扩散率的设备和方法

说明书

提供包含在金属结构的操作期间测量所述金属结构的氢扩散率的设备和方法。将氢充电表面设置在所述结构的外表面上的第一位置处。另外，将氢氧化表面设置在邻近于所述结构的所述外表面上的所述第一位置的第二位置处。产生氢通量并将其引导到所述充电表面处的金属表面中。将由所述充电表面产生的所述氢通量的至少一部分转回到所述表面。测量转移的氢通量的瞬态，并使用此测量来确定使用中的所述金属结构的所述氢扩散率。

技术领域

本发明涉及材料检查，并且确切地说涉及用于氢扩散率的无损测量的设备和方法。

背景技术

氢脆化是由于氢的吸收而导致金属材料的例如拉伸强度和延展性等机械性质恶化的一种现象。这种降解降低了例如钢等金属的抗断裂性。

在元素中，氢原子的直径最小。氢原子很容易吸附在金属表面上，通过在四面体/八面体位点的间隙晶格之间跳跃，氢原子从金属表面扩散到内部。氢也可能留在冶金缺陷和钢中的瑕疵处，所述瑕疵例如晶界、位错、夹杂物等。一旦原子氢被吸收，它就可能在例如缺陷、夹杂物、空隙或不连续部分等可能发生再结合反应的高应力区处沉淀。再结合可能导致脆化，最终导致开裂。随着氢累积，这种高应力区的连接允许裂纹通过金属传播。

氢扩散率(D_H)是金属的一种性质，其确定氢在材料中行进的速率并在氢损伤发展中起主要作用。由于压力累积速率增加，在高扩散率材料中例如氢致裂纹等氢损伤有可能增长得更快。因此，准确了解特定感兴趣材料的D_H是氢损伤演化模型和寿命预测工具的关键输入。

相关技术的评审表明，即使是相同的钢级，公布的D_H值之间也存在显著差异(见表1)。例如，对于X65管线钢，报告的扩散率值在10^-5cm²/s到10^-7cm²/s范围内，这是两个数量级的变化。大的差异可以通过多种因素来解释，例如钢微观结构、试样厚度、表面制备和渗透测试条件的差异。

表1

由于测得的D_H值的这种大的变化，重要的是直接在感兴趣的金属结构的一部分上测量D_H以确保准确性。直接测量值D_H接着可用作到预测模型的输入。这种直接测量的主要挑战在于，ISO 17081中描述的标准测量技术本质上是破坏性的，因为它需要从感兴趣的设备中提取和加工试样。以这种方式获得试样通常不可能用于安装和操作的金属结构。

ISO 17081的标准技术是基于使用Devanathan和Stachurski的电化学电池，示于图1A中。电化学电池100包含充电电池110和氧化电池120。充电电池110包含铂辅助(对)电极114和甘汞参比电极118。类似地，氧化电池120包含铂辅助(对)电极124和甘汞参比电极128。样品130放置在充电电池110与氧化电池120之间。在操作中，充电电池110在暴露于充电电池的样品表面130的一侧引发氢的产生。在充电电池侧产生的一些氢通过样品扩散到氧化电池120，氢原子在所述氧化电池处被氧化。通过将样品130保持在相对于标准甘汞电极118约(+300mV)的正电势来促进氧化过程。在出口侧使用钯涂层可以进一步增强氧化过程。依据氧化电流密度变化在出口端处测量氧化氢。根据氧化电流随时间的曲线，通常使用时滞法计算D_H。

时滞法适合于在单个维度上确定D_H，例如，氢从试样的一侧到另一侧的扩散率。所述扩散率是从一维扩散方程推导出的。用于瞬态渗透通量的分析方案在ISO-17081中提供为：

其中J_perm(t)是瞬态渗透通量，J_SS是稳定状态渗透通量(即，J_SS＝J_perm(t＝∞))，并且τ是表示为扩散系数的函数的归一化时间，并且试样厚度L如下：