Способ контроля примесей Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

1

(21)4848804/28

(22)09.07.90

(46) 15.09.92. Бюл. Ms 34

(71)Воронежский политехнический институт

(72)А.Э. Гольтер и В.Б. Шепилов

(56) Шрейбер А.В. и др. Влияние водорода на нефтяное и химическое оборудование, М., 1976, с. 22.

Справочник/под ред. А.Т. Туманова Физические методы исследования материалов, т. I, M.: Машиностроение, 1971, с. 472,480.

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРИМЕСЕЙ

(57) Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для анализа металлов и сплавов на присутствие водорода. Цель изобретения - повышение информативности контроля за счет возможности выявления молекулярного водорода. Цель достигается за счет того, что консольно закрепленный образец перед возбуждением в нем механических колебаний охлаждают до температуры 4,2 К, регистрацию внутреннего трения проводят в диапазоне температур 4,2-12 К, а о содержании молекулярного водорода судят по спаду величины внутреннего трения при температуре 13,9 К. 2 ил.

Изобретение относится к области металлофизики и металловедения и может быть использовано для анализа металлов и сплавов на присутствие водорода.

В современной промышленности все большее внимание уделяется работоспособности материалов, работающих в условиях, способствующих наводороживанию, или получаемых способами, не позволяющими предотвратить наводороживание, что приводит кснижению физико-механических свойств металлов. Поэтому обнаружение водорода в металле во всех его формах является первостепенной задачей.

Известны способы обнаружения водорода в металле вне зависимости от его состояния (А.В. Шрейдер, И.С. Шпарбер, Ю.И. Арчаков Влияние водорода на нефтяное и химическое оборудование, М., 1976, с. 22),

заключающиеся в извлечении из образцов скрытого газа и анализа последнего.

Известен также способ определения диффузионно-подвижного водорода в металле (а.с. 785684, G 01 N 7/16), заключающийся в нагреве образца в печи до заданной температуры после чего выделившийся из него водород выталкивается аргоном в хро- матографическую колонну и анализируется по изменению теплопроводности.

Недостаток этого способа заключается в том, что определяется количество диффундировавшего водорода, вышедшего из образца при выбранной температуре. При этом неизвестно какую часть от полного содержания водорода в металле составляет это количество.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому, является способ исследования

VJ

О

ю ю :ю

поведения примесей в металле, при котором образец закрепляется в узлах колебаний, возбуждается на определенных частотах и измеряется температурная зависимость внутреннего трения СГ1(Т). При этом раздельно рассматривают фон внутреннего трения и максимумы внутреннего трения. (Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Справочное пособие в трех томах. Под редакцией чл. корр. АН СССР А.Т.Туманова. Физические методы исследования материалов. Том I. Под редакцией акад. С.Т, Кишки- на, М., Машиностроение, 1971, с. 472, 480).

Недостатком известного способа является большая степень обобщенности метода, отсутствие конкретных данных оценки точности эксперимента по определению той или иной примеси в металлических образцах, в частности, конкретной методики определения содержания водорода.

Целью изобретения является обеспечение возможности обнаружения молекулярного водорода в металлическом образце и повышение достоверности.

Поставленная цель достигается тем, что исследуемый образец консольно закрепляют в держателе, помещают в криостат, охлаждают до температуры 4,2 К, возбуждают в нем электростатическим способом изгиб- ные колебания, регистрируют внутреннее трение Q в интервале температур 4,2-15 К на частотах 200-300 Гц. При этом выявляют наличие резкого спада на температурной зависимости внутреннего трения (Т) при 13,9 К, т.е. при температуре тройной точки водорода, по которому определяют присутствие молекулярного водорода в образце. Указанный скачок является следствием различия вкладов, вносимых во внутреннее трение образца молекулярным водородом в твердом и жидком состояниях, испытывающем фазовое превращение в тройной точке (фиг. 1).

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен график температурной зависимости внутреннего трения в железных образцах (за вычетом фона) (T)(15 К) после различных обработок (кривые 1-3), совместно с диаграммой состояния молекулярного водорода (кривая 4). Кривая 1 отображает результат измерения температурной зависимости внутреннего трения в образце железа после прокатки, не контактировавшем с водородосодержащей средой, кривая 2 соответствует измерениям на образце, подвергшемуся электролитическому наводороживанию в 10% растворе серной кислоты с добавкой селенистой кислоты. Кривая 3 соответствует результатам измерений на том же образце после дополнительного наводороживания в указанном выше растворе. На кривой 4 показана диаграмма состояния водорода.

На фиг. 2 изображена структурная схема комплекса для измерения внутреннего трения при низких температурах, состоящая из криостата 1, электронного регулято0 ра низких температур 2, цифрового вольтметра 3, генератора звуковой частоты 4, высокочастотного генератора 5, усилителя-демодулятора 6, амплитудного дискриминатора 7, счетчика 8, осциллографа 9,

5 частотомера 10.

В качестве исходных материалов для приготовления образцов использована пластина толщиной 0,1 мм из технически чистого железа, полученная холодной прокаткой.

0 Величина СГ измерялась методом затухающих изгибных колебаний на образцах после прокатки, после электролитического насыщения водородом в 10% растворе серной кислоты с добавкой селенистой кислоты

5 (2-10 кг/л) в течение 15 минут при плотности насыщающего тока 50 мА/см , затем на образцах с дополнительным насыщением водородом в течение еще 15 минут в указанном выше режиме.

0Способ реализуется следующим образом. Образец консольно закрепляется в держателе, помещается в криостат, устанавливается параллельно неподвижному электроду. Получение низкой температу5 ры на образце, ее измерение и регулирование производится с использованием специально изготовленного криостата 1 (Тезисы докладов XXI Всесоюзного совещания по физике низких температур. Харь0 ков: ФТИНТ АН УССР, 1980, с. 319-320) с отделяемым датчиком, Стабилизация температуры, либо в ручном, либо в автоматическом режиме осуществляется с помощью стандартного электронного регулятора низ5 ких температур ЭСНТ-1,2, измерение температуры в интервале 4,2-15 К производится с помощью полупроводникового датчика ТСГ и цифрового вольтметра 3, в охлажденном до 4,2 К образце возбужда0 ются изгибные колебания посредством генератора звуковой частоты ГЗ-34, 4. Образец, установленный параллельно неподвижному электроду, образует с ним полезную емкость, которая включается на

5 вход высокочастотного генератора 5. Возникающий при колебаниях образца частотно-модулированный сигнал принимается измерителем девиации частоты 6. Далее де- модулированный и усиленный сигнал, соот- ветствующей частоте и амплитуде

механических колебаний образца, подается на амплитудный дискриминатор 7, количество колебаний, совершенное свободно затухающим образцом между двумя уровнями амплитуды фиксируется счетчиком 8. Визуальное наблюдение за колебаниями образца ведется по осциллографу 9. Измерение частоты колебаний осуществляется частотомером 10.

Величина определялась по декременту свободнх затухающих колебаний по формуле:

1

СГ1

|n AI

7TN А2

где N - число колебаний соответствующее уменьшению амплитуды от AI до Аа.

Результаты измерений показаны на фиг. 1, где кривые 1-3 отображают полученную температурную зависимость внутреннего трения (T) в образцах железа до наводороживания и после него. На графике (кривые 2, 3) видно, что после наводороживания на кривой Q-1(T) появляется резкий спад при температуре 13,9 К. Температурное положение скачка на кривых 2,3 в наво- дороженном образце совпадает с температурой тройной точки на диаграмме состояния водорода (кривая 4), что позволяет связать наблюдаемый эффект с рассеянием энергии механических колебаний в твердом молекулярном водороде, содержащемся в образце после наводороживания. При достижении температуры тройной точки водорода, твердый водород плавится, исчеI

V

1ч &

J

Qr

зает вклад его во внутреннее трение, а на зависимости СГ1(Т) наблюдается скачок.

Использование предлагаемого способа обнаружения молекулярного водорода

обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества:

единственную возможность выявить присутствие молекулярного водорода во внутренних полостях металла независимо

от наличия водорода во всех прочих состояниях,

сохранность образцов, не подвергающихся в процессе исследования воздействиям, разрушающим их структуру, что

важно в практике металловедческих исследований.

Формула изобретения Способ контроля примесей в металлах методом внутреннего трения, заключающийся в том, что консольно закрепляют образец, возбуждают в нем механические изгибные резонансные колебания, измеряют декремент затухания этих колебаний, по величине которого судят о внутреннем трении, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности контроля за счет возможности выявления молекулярного водорода, перед возбуждением колебаний образец охлаждают до температуры 4,2 К, регистрацию внутреннего трения проводят в диапазоне температур 4,2-15 К, о содержании молекулярного водорода судят по спаду величины внутреннего трения при температуре 13,9 К.

Фиг.{

J

4

фиг. 2