[发明专利]钢的电化学阴极充氢方法

说明书

技术领域

本发明涉及不同含氢量的金属样品制备领域，具体为一种普适于所有钢种的电化学阴极充氢方法，通过这种室温即可操作的充氢方法，可以实现对铁素体钢或奥氏体钢不同氢含量样品的制备，从而为研究氢含量对钢组织与性能的影响提供便利。

背景技术

早在第一次世界大战时，冶金学者们就在对大型预制坯进行机械处理时发现了白点，并通过长时间的探索，确定了钢中氢是产生白点的元凶。众所周知，钢中的氢是一种有害但又难以完全避免的杂质元素，它对钢的危害主要是引起锻件塑性、韧性的降低，严重时会导致锻件中出现白点(氢致发裂)，造成整个锻件的报废，这种现象被称为氢脆。氢脆按照其与加载时应变速率的关系可分为两类：

1.钢的氢脆敏感性随加载时应变速率的增加而升高，大型锻件中的白点即属于第一类氢脆。在加载前，氢已经在钢中形成了不可恢复的损伤，随加载应变速率的增加，初始的氢损伤处作为氢脆源形成极大的应力集中，使得裂纹扩展速度增大，导致钢的脆性增加；

2.钢的氢脆敏感性随加载时应变速率的增加而减小，钢的滞后断裂和大型锻件的置裂均属于第二类氢脆。在加载前，钢中尚未形成氢脆源，而在加载的过程中，随着应力、应变的交互作用，钢中氢不断扩散聚集，逐步形成氢脆源并导致钢的脆性增加。

不同钢种的氢脆敏感性不同，一般使用无白点极限氢含量或无氢脆极限氢含量来表征。为了保证大型锻件在使用过程中的安全性，有必要将氢含量控制在无白点极限氢含量甚至无氢脆极限氢含量之下，而这些指标的测定必然需要在实验室条件下制备不同含氢量的样品。吕曼祺等人早在上个世纪九十年代就发明了《高压高纯热充氢装置》(专利号：92109936.3)，使用该装置可实现对大多数金属材料的充氢处理，然而，该装置的制造过程较为复杂，国内很少有此类专门用于充氢的高压釜，而且该充氢方法在高温高压下进行，充氢过程有很大的危险性。除此之外，对于氢在其中极易扩散的bcc结构钢，在高温下充氢很容易造成氢的扩散逸出，从而达不到预期的充氢效果。因此，发明一种普适于所有钢种的室温充氢方法很关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单易操作并普适于各种类型钢的室温充氢方法，解决现有的充氢方法在高温高压下进行，充氢过程危险性较大等问题，为研究各个钢种的无白点或无氢脆极限氢含量提供便利。

本发明的技术方案为：

一种钢的电化学阴极充氢方法，包括如下步骤：

首先，取硫酸和蒸馏水配制0.5～2mol/L的硫酸水溶液，之后取0.10～0.25g/LAs₂O₃或NaAsO₂放入硫酸水溶液中，搅拌均匀，完成电解液配制过程；

然后，使用铂网作为阳极，待充氢试样作为阴极，分别连接直流电源对应的正负电极，放入烧杯或其它玻璃容器中固定好；

之后，接通直流电源，将配制好的电解液倒入固定有铂网和充氢试样的容器中，根据样品表面积的大小及钢种种类，调整充氢电流强度至1～200mA/cm²(优选为10～100mA/cm²)，对样品进行充氢。对不同钢种通过调整直流电源的电流和充氢时间，达到充入不同氢含量的目的。

本发明的设计思想是：

通过简单的电解水过程，使得分解而成的阳离子(H⁺)向阴极移动，并在阴极得到电子而变为H原子，随着电解过程的不断进行，大量氢气在作为阴极的充氢试样周围富集，在样品表面局部区域内形成极大的氢压。在氢浓度梯度及氢压双重作用下，氢原子不断向样品内部扩散，从而达到对样品充氢的目的。其中，电解液中加入的As₂O₃或NaAsO₂很关键，它们作为毒化剂，可以提高氢原子的渗透性，并减缓氢原子向氢分子的转变过程。本发明中充氢过程进行的快慢与电解水的速率和氢渗透的难易程度密切相关，其中电解水的速率与直流电源的电压与电流以及水的导电性能相关。强电解质硫酸的加入是为了提高水的导电性，使得作为弱电解质的水的电解过程顺利进行。