测定氢扩散系数的装置及方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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°C，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4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。
[0004]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，研宄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。
[0005]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，研宄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。
[0006]有关氢扩散特性的研宄中，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】
[0007]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°C，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。
[0008]为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种测定氢扩散系数的装置，由氢扩散测试系统、控温系统、除氧系统组成，氢扩散测试系统由电化学工作站、计算机或记录仪、阳极池排液阀、阳极池辅助电极、阳极池、参比电极、连通垫圈、直流恒流源、阴极池排液阀、阴极池辅助电极、阴极池和待测试样组成，在待测试样的一侧表面镀镍或钯，并使镀镍或钯的待测试样一侧表面朝向阳极池，且待测试样一侧表面朝向阴极池，使阳极池和阴极池分别位于待测试样的两侧，将待测试样设置在分别连通于阳极池和阴极池的两个连通的垫圈之间，使各连通垫圈分别与待测试样表面之间进行密封，使待测试样的两侧面分别作为阳极池内和阴极池内设置的工作电极表面，在待测试样两侧的电解系统形成双电解池系统，即在第一电解池系统内设置的与电化学工作站分别连接的阳极池辅助电极、参比电极和待测试样，形成阳极池的三电极测试系统，在第二电解池系统内设置与直流恒流源的正极和负极分别对应连接的阴极池辅助电极和待测试样，形成阴极池的双电极测试系统，并通过连接待测试样的导线使电化学工作站和直流恒流源信号连接，装入阴极池内的电解液采用充氢溶液，计算机或记录仪作为上位机与电化学工作站信号连接，阳极池和阴极池分别设有阳极池排液阀和阴极池排液阀，控温系统由阳极池控温仪、阳极池加热器、阴极池控温仪和阴极池加热器组成，控温系统通过控制阳极池加热器调节阳极池内的电解液的温度，阴极池控温仪控制阴极池加热器调节阴极池内的充氢溶液的温度，除氧系统由氮气瓶、氮气阀门、除氧瓶、输送泵和回流泵组成，与氮气瓶连通的氮气管路底部插入除氧瓶中的溶液中，氮气阀门控制从氮气瓶向除氧瓶输送氮气的流量，输送泵和回流泵分别通过独立的连通管路使阴极池和除氧瓶连通形成流体循环回流系统，使阴极池和除氧瓶中的充氢溶液实现循环，通过控制输送泵和回流泵联合输送即能实现对阴极池除氧，氮气瓶还另外通过分别由独立控制阀控制的另外两条管路分别向阳极池和阴极池输送氮气。
[0009]作为本发明优选的技术方案，在第一电解池系统内，参比电极设置于尖嘴弯管中，参比电极的一端与尖嘴弯管尖端平齐，尖嘴弯管尖端的内径为0.3~lmm，尖嘴弯管尖端的外径不大于2.5_，尖嘴弯管尖端距离试样表面1~3_，尖嘴弯管尖端靠近与阳极池内电解液接触的待测试样暴露表面的中心位置。
[0010]作为本发明上述技术方案中进一步优选的技术方案，与阳极池内电解液接触的待测试样暴露表面的面积为0.5~5cm2。
[0011]作为本发明上述技术方案中进一步优选的技术方案，在待测试样的表面镀镍层或表面钯层的厚度为0.1~1μπι?
[0012]作为本发明上述技术方案中进一步优选的技术方案，电化学工作站的电流测量范围为0~±2Α，电流测量精度±10ρΑ，电压输出范围为±10V，控制电压输出精度±0.1mV ;直流恒流源的电流输出范围为0~ ±200mA，控制电流输出精度±1ηΑ。
[0013]作为本发明上述技术方案中进一步优选的技术方案，连通垫圈由硅