[发明专利]一种应力与渗氢条件下金属表面电势原位测试装置及方法

说明书

本发明提供了一种应力与渗氢条件下金属表面电势原位测试装置及方法，装置包括应力加载机构、渗氢机构和表面电势测量机构，应力加载机构包括基座、试样、压头、螺母和千分表，试样、压头和螺母均设置在基座内；表面电势测量机构包括KPFM测试系统、开尔文探针和样品台，开尔文探针与KPFM测试系统相连，开尔文探针用于对试样表面电势检测，试样通过导线与样品台相连；渗氢机构包括电化学工作站、充氢槽、充氢溶液、辅助电极和参比电极，充氢槽置于样品台上，基座置于充氢槽中。本发明能够将应力加载与渗氢过程相结合，采用试样底面充氢方式实现氢渗透与开尔文探针的并行测试，完成金属试样在应力与渗氢耦合条件下的表面电势原位测试。

技术领域

本发明属于金属材料分析测试领域，尤其是涉及一种应力与渗氢条件下金属表面电势原位测试装置及方法。

背景技术

金属材料在服役过程中，往往都伴随着工作载荷以及环境应力的作用。大气环境中的酸性气体、含氢介质等均会导致原子氢的产生、吸附以及向金属基体中渗透，最终诱导金属结构发生氢脆失效。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，影响其服役安全性。因此，氢脆型应力腐蚀开裂行为是金属在大气环境中服役时的一个重要的安全考量因素。

开尔文探针力显微镜(Kelvin probe force microscopy,KPFM)将开尔文技术与原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)相结合，实现了样品表面电势和表面形貌的表征，近年来逐渐被应用于金属材料腐蚀分析测试领域。充氢过程通常采用电化学液相氢渗透方式，而开尔文探针技术的液下测试还存在诸多问题，限制了开尔文探针技术在氢渗透领域的应用，加之，目前的开尔文探针测试通常是在无外加应力的材料中进行，目前，在应力与氢渗透多场耦合环境下的表面电势测试方法尚未见报道。鉴于此，有必要设计研究更切合真实环境的应力与氢渗透多场耦合工况的简易开尔文探针表面电势测试装置。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种应力与渗氢条件下金属表面电势原位测试装置及方法，解决现有表面电势试验装置的不足，能够将应力加载与渗氢过程相结合，采用试样底面充氢的方式实现氢渗透与开尔文探针的并行测试，从而完成金属试样在应力与渗氢耦合条件下的表面电势原位测试。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种应力与渗氢条件下金属表面电势原位测试装置，包括应力加载机构、渗氢机构和表面电势测量机构，所述的应力加载机构包括基座、试样、压头、螺母和千分表，所述试样、压头和螺母均设置在基座内，所述的基座的底端中心处设有通孔，顶端内壁上设有两个静支点，所述压头包括螺杆和两个相互平行的支板，两个相互平行的所述支板底端与螺杆固定连接，在每个支板的顶端均设有一动支点，且试样的上表面与两静支点相接触，下表面与两动支点相接触，所述螺杆伸入基座的通孔内，在通孔内设有与螺杆配合的限制螺杆周向转动的限位件，所述螺母与螺杆相配合并旋转螺母使螺母端面紧贴于基座底部内壁，所述千分表用于检测试样表面应力；

所述表面电势测量机构包括KPFM测试系统、开尔文探针和样品台，所述开尔文探针通过导线与KPFM测试系统相连，所述开尔文探针用于对试样表面电势检测，所述试样通过导线与样品台相连；

所述渗氢机构包括电化学工作站、充氢槽、充氢溶液、辅助电极和参比电极，所述充氢槽置于样品台上，所述基座置于充氢槽中，所述充氢槽内装有充氢溶液，所述试样、辅助电极和参比电极均通过导线与电化学工作站相连接。

进一步的，通过旋转螺母带动螺杆向试样加载应力，千分表测量试样表面中心区域所受到的应力。

进一步的，所述充氢槽中盛放的充氢溶液的液面没过试样下表面，但保持试样上表面干燥。

进一步的，其中一个所述支板上设有辅助电极孔和参比电极孔，所述辅助电极穿过辅助电极孔，所述参比电极穿过参比电极孔并置于试样与辅助电极之间，试样、辅助电极、参比电极和充氢溶液形成三电极体系，实现从试样下表面对试样进行渗氢。