Vol.25 No.6 姚远等：氢对不锈钢钝化膜纳米力学性能的影响 ·539· 6 向抗拉伸应力是导致膜破裂的原因.在弹性变形 5 阶段，针尖压入的载荷P、压入深度（位移）h及针 4 尖的半径R和接触材料的弹性特性可以表示为 3 得 P=号EhR (1) 式中，E,是压头针尖和样品的结合模量又称为简 1 约模量，其由下式确定： -1山 22 (2) 100 200 300 式中，第二项适用于针尖的性质，是泊松比，E 氢的质量分数106 为弹性模量，下标s,n分别表示样品和针尖.如 图5氢含量与位移偏移量的关系 果样品表面是平面，在针尖与样品接触时产生最 Fig.5 Concentration of hydrogen as a function of excur- 大压力： sion 3P P。-2d (3) 减少.表明随氢含量的增加钝化膜的强化作用而 式中，α为针尖与样品接触园的半径，其与轴对 逐渐消失，不同氢含量下含氢钝化膜测量的临界 称针尖的半径R之间有如下关系： 载荷与不锈钢基体中的氢含量关系如图6所示. 表明随氢含量的增加，临界载荷P也明显降低 只-任 (4) 这表明随着基体氢含量的增加钝化膜逐渐变薄， 由于施加的载荷、压入深度和接触半径在加 钝化膜表面随氢含量的增加而逐渐软化， 载过程中是相互联系的，则最大压力P也可以表 示为： 160 A-t (5) 在针尖与样品接触圆的边缘，钝化膜的最大 120 径向抗拉伸强度可以表示为： 至 80 l号l号 (6) 式中，P是位移突变点处的临界载荷 40 3.2氢对钝化膜复合弹性模量和最大径向拉应力 0 的影响 0 50100150200250 充氢可以改变不锈钢基体的弹性模量从而 氢的质量分数小0 影响复合弹性模量，根据载荷一位移曲线，可以 图6临界载荷与充氢电流密度的关系曲线 估算复合弹性模量： Fig.6 Critical load at film fracture as a function of hydro- E,=P/8.36h (Hertzian) (7) gen current density E,=P/11.12h (Love) (8) 把未充氢试样的临界载荷P和压入位移h代 3讨论 入式(7)，得E.=248GPa,代入式(8)得E,-187 GPa.而根据式(2)算出的E,=194GPa,它更接近 3.1理论背景 按式(8)算出的值（相对误差约4%）.不同氢含量 根据Hertzian弹性接触力学m,将出现位移偏 下的E,与氢含量的关系曲线如图7所示由此可 移前初始加载过程作为纯弹性变形模型.按此模 知，随氢含量的升高，钝化膜的复合弹性模量下 型，由于在位移出现偏移前，样品表面不存在永 降，在钝化膜形成过程中，氢能不断进入钝化膜， 久的变形，则施加于样品压痕周围的实际径向拉 它可能影响膜的成分和厚度及膜的强度，图7表 伸应力，可以作为计算拉伸应力的上限，在所有 明，E随氢含量升高而急剧下降.由式(6)可知， 样品的变形机制相似的条件下，尤其是在各个样 E,下降就会导致a,的下降. 品进行对比的情况下，这样进行处理是有益的 本研究工作中采用的是三棱锥形金刚石针 在针尖与样品接触面的边缘，钝化膜中的最大径 尖，其金刚石的弹性模量为E。=1140GPa,泊松￾￾￾￾￾￾￾ ￾ 姚 远 等 ￾ 氢对 不 锈钢 钝 化 膜 纳 米力学性 能 的影 响 向抗 拉伸 应 力是 导致膜 破 裂 的原 因 ￾ 在 弹性变 形 阶段 ， 针 尖 压 入 的载 荷尸 、 压 入 深度 ￾位 移 ￾及 针 尖 的半 径￾和 接触 材 料 的弹 性 特 性 可 以表 示 为 尸 一 耘 、 ，‘，￾ ，，， ￾ ￾￾￾ 式 中 ， 三 是压 头针 尖 和 样 品 的结合模 量 又称 为简 约 模 量 ， 其 由下 式 确 定 ￾ 缓协划泌月啊日 一 门一 记 ￾ ￾一 礁、 一 ’ 乙 ￾ ￾ ￾一州石 一十 ， ￾￾￾一一 ￾ ￾ ￾ 乙 ￾ 乙 ￾。 ￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾ 氢 的质 量 分数八￾ 一 ‘ 图 ￾ 氢 含量 与位 移偏 移量 的 关 系 ￾￾ · ￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾ 式 中 ， 第 二 项 适 用 于针尖 的性 质 ， ￾ 是 泊 松 比 ， ￾ 为 弹 性 模 量 ， 下 标 ￾， ￾ 分 别表 示 样 品和 针 尖 ￾ 如 果 样 品表 面是 平 面 ， 在 针尖 与样 品接触 时产 生 最 大 压 力￾ ￾ 减 少 ￾ 表 明随氢 含量 的增加钝化 膜 的强化 作 用 而 逐 渐 消失 ， 不 同氢含 量 下 含氢 钝 化膜 测量 的临界 载 荷 与不 锈 钢 基 体 中的氢 含 量 关 系如 图 ￾所 示 ￾ 表 明随氢 含量 的增 加 ， 临界载 荷￾也 明显 降低 ￾ 这 表 明随着 基 体氢 含 量 的增 加 钝 化膜 逐渐 变 薄 ， 钝 化膜 表 面 随 氢 含 量 的增 加 而 逐 渐 软 化 ￾ 旦二 ￾￾ ￾ 式 中 ， ￾ 为针 尖 与样 品接 触 园 的半 径 ， 称 针 尖 的半 径￾之 间有 如 下 关 系 ‘，￾￾ ￾￾￾ 其 与轴 对 芳 一 盯 一 ￾备晶￾ 夸 ￾’ 由于 施 加 的载 荷 、 压 入 深 度 和 接 触 半径 在 加 载 过 程 中是 相 互 联 系 的 ， 则 最 大 压 力￾也 可 以表 示 为 ￾ 几 一 ￾器￾认 在 针 尖 与样 品接触 圆 的边 缘 ， 径 向抗 拉 伸 强度 可 以表 示 为‘，￾￾ ￾￾￾ 钝 化膜 的最 大 八￾﹃ 乙￾气 ￾ ￾￾ 卫山皿￾ ￾ 一 ￾宁 ￾￾ 一 履、气 ￾︻ ￾ 旱隐场 ￾ 式 中 ， ￾ 是 位 移 突 变 点 处 的 临界 载荷 ￾ ￾￾ 氢 对钝 化膜 复合 弹 性模 量 和 最 大径 向拉应 力 的 影 响 充 氢 可 以 改 变 不 锈 钢 基 体 的弹 性 模 量 从 而 影 响复 合 弹 性 模 量 ， 根 据 载 荷一位 移 曲线 ， 可 以 估 算 复合 弹 性模量 『，”￾ 、、了产，￾￾ ，尹￾ ￾、了、￾了 ￾￾一工一 一 二一一一一一一二一一一一口 ￾ ￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾ 氢 的 质 量 分 数￾￾￾ 一 ￾ 图 ￾ 临 界 载荷 与充 氢 电流 密度的 关 系 曲线 ￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾ 二 ￾￾ ￾ ￾￾￾ ， ￾￾￾￾￾￾￾ ￾ 二 ￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾ 讨 论 ￾￾ 理 论 背景 根据 ￾￾￾￾￾ 弹性 接触 力学‘，，，， 将 出现位 移偏 移 前初 始加 载过程 作 为纯 弹 性变形模 型 ￾ 按此模 型 ， 由于 在 位 移 出现 偏 移 前 ， 样 品表 面 不 存 在 永 久 的变形 ， 则施 加 于样 品压 痕 周 围的实 际径 向拉 伸应 力 ， 可 以作 为计 算 拉伸 应 力 的上 限 ， 在 所 有 样 品 的变 形 机制相 似 的条件 下 ， 尤 其是 在 各 个样 品进 行 对 比 的情 况 下 ， 这 样 进 行 处 理 是有 益 的 ￾ 在 针尖 与样 品接 触 面 的边 缘 ， 钝 化 膜 中的最 大径 把 未 充 氢 试 样 的 临界载 荷尸和 压 入 位 移￾ 代 入 式 ￾￾￾ ， 得￾ 二 ￾￾￾ ￾￾￾， 代 入 式 ￾￾￾得 ￾ ￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ， 而 根 据 式 ￾￾算 出 的 ￾ ￾ ￾￾ ￾￾￾ ， 它 更接 近 按 式 ￾￾算 出 的值 ￾相 对 误 差 约 ￾￾￾ ￾ 不 同氢 含量 下 的￾ 与氢 含 量 的关 系 曲线 如 图 ￾所 示 ￾ 由此 可 知 ， 随氢含 量 的升 高 ， 钝 化 膜 的复 合 弹 性模 量 下 降 ￾ 在钝 化 膜 形 成 过程 中 ， 氢 能 不 断进 入钝 化膜 ， 它 可 能影 响膜 的成 分 和 厚度 及 膜 的强度 ， 图 ￾表 明 ， ￾ 随氢 含 量 升 高而 急剧 下 降 ￾ 由式 ￾￾可 知 ， ￾ 下 降就 会 导致 氏 的下 降 ￾ 本 研 究 工 作 中采 用 的 是 三 棱 锥 形 金 刚 石 针 尖 ， 其 金 刚石 的弹 性 模 量 为瓦￾ ￾￾￾ ￾￾ ， 泊松