一种表征金属材料氢分布的氢微观印刷方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料分析方法，具体是表征金属材料氢分布的氢微观印刷方法。

背景技术

氢溶于金属材料中能够造成金属材料的氢脆，氢脆是溶于金属中的氢聚合为氢分子，造成应力集中，当应力超过材料的强度极限，在材料内部形成细小的裂纹，导致材料发生开裂。氢脆能够发生在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程(如电镀、焊接)中，进入金属内部的微量氢在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。

CN108037176A公开了一种钢零件快速氢脆检查方法及装置，采用了快速加热快速淬火的冷却的方法，让有氢脆的零件产生裂纹，通过检测零件的裂纹来判定此批零件的氢脆倾向。这种快速简便的检测方法，可以应用于生产现场，该方法对设备要求低，而且还能对于弹簧这样的零件进行快速准确的检测。但是，该种方法不能了解氢原子在金属内部的分布和扩散状况；而且，由于氢原子半径小，目前尚无法直接通过仪器观察到氢脆的发生过程及氢原子在金属内部的扩散和偏聚行为，这给相关研究工作带来不利影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种表征金属材料氢分布的氢微观印刷方法，该方法应能清楚表达金属材料内的氢分子分布情况，从而了解因此对金属材料结构强度造成的影响。

本发明提供的技术方案是：

一种表征金属材料氢分布的氢微观印刷方法，按以下步骤进行：

(1)将核乳剂放入盛有溶液的容器中进行稀释得到核乳剂稀释液，将核乳剂稀释液放入容器中用玻璃棒搅拌均匀后，并放入40±5℃恒温水浴锅中静置15±5分钟，使溴化银颗粒分布均匀，放置备用；

(2)用一根铜丝绕成一根细圆形铜圈，铜圈直径需超过试样最大尺寸，以便细铜圈能够完整穿套过试样；

(3)将试样放入水浴锅中的试样台上，试样高于水面2-8mm，并将水浴锅水温控制在80±5℃左右保持恒温3±1分钟；

(4)用铜线圈沉没在核乳剂稀释液中接着向上提离核乳剂稀释液，使铜线圈上形成完整的核乳剂薄膜；然后由上而下将带有核乳剂薄膜的铜线圈水平套过水浴锅内的试样，使试样的顶部表面形成一层厚度均匀的核乳剂薄膜；此后将水浴锅保持80±5℃恒温30±5分钟，使得试样内的氢扩散出来与核乳剂薄膜内的溴化银反应；

(5)将试样取出放入预先准备的坚膜剂中3±1秒中，使试样表面的核乳剂薄膜硬化并固定，使反应生成的银颗粒固定；

(6)随后将试样放入含40mL定影剂的烧杯中10±2分钟，将试样表面未反应的溴化银溶解到定影液中；

(7)从定影液取出试样，随后放置在扫描电子显微镜下观察银颗粒的分布。

所述步骤(1)中核乳剂含有溴化银颗粒，溴化银颗粒粒径为100-200nm。

所述铜线的直径为0.15-0.35mm。

所述试样为带裂纹试样。

所述核乳剂为IIFord L-4核乳剂，核乳剂中的溴化银颗粒重量含量为75-85％。

所述定影剂为0.60mol/L 6Na2S2O3+1.4mol/L NaNO2。

所述坚膜剂为福尔马林溶液。

所述溶液为5％wt的亚硝酸钠NaNO2溶液。

本发明的有益效果是：

本发明提供的方法，无需借助昂贵的仪器设备(如开尔文显微镜等)即可直观地表征氢原子在金属内的分布情况，并且本发明的方法对试样的尺寸和制作要求不高，无需特别制作精细试样，试样经过充氢处理后即可进行研究；本发明方法流程简单便捷，可短时快速对金属材料进行氢分布研究，及时掌握氢原子分布情况并且可直接拍照记录以备研究。

附图说明

图1是本发明的实施过程示意图。

图2是试样中的氢原子微观印刷过程示意图。

图3是带裂纹304不锈钢CT试样表面银颗粒扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例进一步说明。

实施例1(参见图1)

1、将1g IIFord L-4核乳剂(即图1中原子核乳剂)放入2mL 5％wt的NaNO2溶液进行稀释得到核乳剂稀释液，IIFord L-4含有溴化银颗粒的核乳剂(核乳剂中的溴化银颗粒重量含量为80％)，其溴化银颗粒粒径为140±10nm，将核乳剂稀释液放入小烧杯，并用玻璃棒充分搅拌均匀后，并放入40℃恒温水浴锅中静置15分钟，使溴化银颗粒分布均匀，放置备用；

2、用一根0.2mm粗的细铜丝绕成一根细圆形铜圈，铜圈直径需超过试样最大尺寸，以便细铜圈能够完整套住穿过试样；

3、将试样放入水浴锅中的试样支座(试样支座固定在恒温水浴锅中)上，试样高于水面约50mm，并将水浴锅水温控制在80℃左右保持恒温；

4、将细铜线圈沉没在核乳剂稀释液中，接着将细铜线圈向上提离核乳剂稀释液(提离过程中保持细铜线圈处于基本水平状态)，使残留在细铜线圈上的核乳剂稀释液形成一个完整的核乳剂薄膜(类似形成肥皂泡的操作)；然后由上而下将核乳剂薄膜套过水浴锅内带裂纹的试样，使试样的顶部表面形成一层厚度均匀的核乳剂薄膜；此后将水浴锅保持80℃恒温30分钟，使得试样内的氢扩散出来与核乳剂薄膜内的溴化银反应；较高的环境温度可加速氢的扩散，较高的湿度环境可保持核乳剂薄膜湿润，防止核乳剂薄膜干燥失效。

5、试样在水浴锅保持80℃恒温40分钟后，将试样取出放入预先准备的福尔马林溶液(坚膜剂)中3秒中，使试样表面的核乳剂薄膜硬化并固定，使反应生成的银颗粒固定。

6、随后将试样放入含40mL定影剂的烧杯中10分钟，定影剂成分为0.60mol/L6Na2S2O3+1.4mol/L NaNO2，将试样表面未反应的溴化银溶解到定影液中。

7、从定影液取出试样，随后放置在扫描电子显微镜下观察金属样品表面银颗粒的分布。由图3的A图和B图可知：银颗粒聚集在不锈钢试样表面的裂纹处，标明裂纹中有氢原子扩散析出；因此A图和B图所示的不锈钢试样存在氢脆倾向。

本发明的原理是(参见图2)：

①金属样品的顶部表面覆膜一层原子核乳剂(AgBr)；

②金属样品升温时(温度H上升)，请氢原子释放至金属样品的表面；

③释放的氢原子(H)与原子核乳剂中的溴化银反应(Ag+H→Ag+H

④金属样品放入坚膜剂中处理，使得银颗粒(Ag)固定；

⑤坚膜剂处理后的金属样品放入定影液中处理，洗去未反应的溴化银。