D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.06.012 第25卷第6期 北京科技大学学报 Vol.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 氢对不锈钢钝化膜纳米力学性能的影响 姚 远 乔利杰孙冬柏褚武杨 北京科技大学材料物理系，北京100083 摘要利用电化学实验方法和纳米力学探针技术，通过测量载荷-位移关系曲线，研究了 氢对不锈钢钝化膜纳米力学性能的影响，结果表明：随氢含量的增加，不锈钢钝化膜的临界 破裂载荷降低，位移偏移量减小，氢导致钝化膜的径向抗拉强度（应力）和弹性模量降低，钝 化膜随氢含量的增加而逐渐软化. 关键词316不锈钢：钝化膜：氢：纳米力学压痕 分类号TG142.71,TB383,0613.2,0484.2 金属材料在腐蚀、焊接、酸洗、电镀、阴极保 CrO,H0-H,P04溶液中电解抛光，电位为22~25 护及其他表面处理过程中，经常会有氢进入材料V.利用电化学方法阴极充氢，充氢电解溶液为 中.金属中的氢对其力学性能及电化学行为有 0.5mol/L H,SO+0.25gLAs,O.AsO作为抑制氢 显著的影响，例如氢提高合金应力腐蚀敏感性) 原子复合的毒化剂，促进氢渗透到样品中，充氢 及腐蚀速率列，降低钝化膜的稳定性，增加点腐 电流密度分别为2,10,20,50mA/cm2,充氢时间 蚀的敏感性”.金属表面的钝化膜的性能是控制 为10h.实验中没有直接测量氢在钝化膜中的绝 其腐蚀行为的关键因素，氢对腐蚀行为最显著的 对含量，而是用排油集气法对氢在不锈钢基体中 影响是氢促进钝化膜的破裂，导致金属点蚀的发 的平均值进行了测量，在硼酸盐缓冲溶液(0.02 生.因此，研究氢对不锈钢钝化膜纳米力学性能 mol/LH,BO,+0.005mol/LNaB,O,10HO)中，400 的影响是非常重要的.钝化膜很薄，通常只有几 mV SCE(饱和甘汞电极)恒电位条件下使样品阳 个纳米，其力学性能很难用常规的仪器和设备测 极极化.将样品阳极钝化处理后立即进行实验测 量，纳米力学探针技术为研究和分析氢对钝化膜 量以减少氢的损失. 的力学性能的影响提供了可能的机会 Hysitron Triboscope纳米力学压痕实验测试设 本文利用电化学实验方法和纳米压痕实验 备配有扫描探针显微镜，可在压痕前、后进行区 系统，通过测量不锈钢钝化膜的载荷一位移关系 域选择和压痕形貌的原位成像，从而原位观察压 曲线来研究氢对不锈钢钝化膜纳米力学性能的 痕前后表面形貌变化及压痕形状和大小.利用载 影响。 荷控制模式给定最大载荷，在压痕过程中连续记 录位移随施加载荷的变化.实验中选用的Be- 1实验方法 rkovich针尖的曲率半径为150nm.为研究氢对钝 化膜纳米力学性能的影响，实验分别在经过钝化 实验所用的材料是316奥氏体不锈钢，样品 处理的样品和预充氢后再钝化处理的样品上进 为中16mm×2mm的圆片，材料的化学成分（质量 行，载荷加载的速度控制在50-500N/s范围.在 分数，%)为：Cr,17.05;Ni,11.15;Mo,2.17;Mn, 最大载荷处停留时间为1s,以防止钝化膜表面发 1.43;Si,0.53;S,0.013;C,0.022;P,0.025;余量为 生蠕变，样品表面的粗糙度为1nm. Fe.样品研磨至1000金相砂纸，最终在混合的 2实验结果 收稿日期200209-24 姚远男，40岁，博士 *国家自然科学基金资助项目No.50171013)及国家重点基础 2.1充氢电流密度与316不锈钢基体中氢含量 研究规划项目(No.G19990650) 基体中氢含量随充氢电流密度的变化如图1第 ￾￾ 卷 第 ￾期 ￾￾￾￾年 ￾￾月 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾】 ￾ ￾￾￾￾ ￾ ￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾ 氢对不锈钢钝化膜纳米力学 ￾￾ ’能的影响 姚 远 乔 利 杰 孙 冬柏 北 京科 技大 学材料 物理 系 ， 北 京 褚 武杨 ￾￾￾￾￾ 摘 要 利 用 电化 学 实验 方法 和 纳米 力学探针 技术 ， 通 过 测 量 载 荷一 位 移 关 系 曲线 ， 研 究 了 氢对 不 锈 钢 钝 化 膜 纳 米 力 学 性 能 的 影 响 ￾ 结 果 表 明 ￾ 随氢 含 量 的增 加 ， 不 锈 钢 钝化 膜 的 临 界 破 裂载荷 降低 ， 位 移 偏 移 量 减 小 ， 氢 导 致 钝 化膜 的径 向抗 拉 强 度 ￾应 力 ￾和 弹 性 模 量 降低 ， 钝 化膜 随氢含量 的增 加而 逐渐 软 化 ￾ 关键词 ￾ ￾不 锈 钢 ￾ 钝化 膜 ￾氢 ￾ 纳 米力 学 压 痕 分 类号 ￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾ ， ￾￾ ￾￾￾ ， ￾￾￾￾ ￾ ￾ ， ￾￾￾￾￾ 金 属 材料 在 腐 蚀 、 焊 接 、 酸洗 、 电镀 、 阴极 保 护 及其他 表 面 处 理过 程 中 ， 经 常会 有氢 进 入 材 料 中‘， ， ￾， ￾ 金 属 中的氢 对其 力 学性 能及 电化 学行 为有 显 著 的影 响 ， 例 如 氢 提 高合 金 应 力腐 蚀 敏 感 性 ‘￾ 及 腐蚀速 率￾ ” ， 降低 钝 化膜 的稳 定性〔￾ ， 增 加 点腐 蚀 的敏感性‘￾例 ￾ 金 属表 面 的钝 化膜 的性 能是 控制 其腐蚀行 为 的关键 因素 ￾ 氢对腐 蚀行 为最 显 著 的 影 响是氢 促进 钝化 膜 的破 裂 ， 导致金 属 点蚀 的发 生 ￾ 因此 ， 研 究 氢 对 不 锈 钢 钝 化 膜 纳 米 力 学 性 能 的影 响是 非 常 重 要 的 ￾ 钝 化 膜 很 薄 ￾ 通 常 只 有 几 个纳 米 ， 其 力学性 能很 难 用 常规 的仪器 和 设备测 量 ， 纳 米 力 学探 针 技术 为研 究和 分 析氢 对 钝 化 膜 的力 学性 能 的影 响提 供 了可 能 的机 会 ￾ 本 文 利 用 电化 学 实 验 方 法 和 纳 米 压 痕 实 验 系统 ， 通 过 测 量 不锈 钢 钝 化 膜 的载荷一位 移 关系 曲线 来研 究氢 对 不 锈 钢 钝 化 膜 纳 米 力 学 性 能 的 影 响 ￾ ￾ 实验 方 法 实验 所 用 的材 料 是 ￾￾ 奥 氏体 不 锈钢 ， 样 品 为护￾ ￾￾￾ ￾ ￾ 的 圆片 ， 材料 的化 学 成 分 ￾质 量 分 数 ， ￾￾为 ￾ ￾￾， ￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾ ， ￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾ ， ￾ · ￾￾￾￾￾ ， ￾ ￾ ￾￾￾￾￾ ， ￾ ￾ ￾￾￾￾ ， ￾ ￾ ￾￾￾￾￾ ， ￾ ￾ ￾￾￾￾￾ ， ￾ ￾ ￾￾￾￾余 量 为 ￾￾ ￾ 样 品研 磨 至 ￾￾￾ ‘金 相 砂 纸 ， 最 终 在 混 合 的 收稿 日期 ￾￾￾刁￾一 ￾￾ 姚远 男 ， ￾ 岁 ， 博 士 ￾ 国家 自然科学基金 资助项 目伽￾￾￾ ￾￾ ￾及 国家重 点基础 研 究规划项 目￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾心 ￾一￾ ￾￾一￾￾￾￾ ￾ 溶 液 中 电解 抛 光 ， 电位 为 ￾一￾ ￾ ￾ 利 用 电化 学 方 法 阴极 充 氢 ， 充 氢 电解 溶 液 为 ￾ · ￾￾￾比 ￾ ￾￾￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾ ￾ ￾￾￾￾ ， 作 为抑 制 氢 原 子 复合 的毒化 剂 ， 促进 氢 渗 透 到样 品 中 ￾ 充氢 电流 密 度 分 别 为 ￾ ， ￾￾ ， ￾￾ ， ￾￾￾￾￾￾￾ ，， 充 氢 时 间 为 ￾￾￾ ￾ 实验 中没 有 直 接 测 量 氢 在 钝 化 膜 中 的绝 对 含 量 ， 而 是 用 排 油集 气 法对 氢 在 不锈 钢 基 体 中 的平 均 值 进 行 了测 量 ￾ 在 硼 酸 盐 缓 冲 溶 液 ￾￾￾ ￾￾比 ￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾灸￾￾￾ ￾ · ￾￾￾ ￾￾￾中 ， ￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾饱 和 甘 汞 电极 ￾恒 电位 条 件 下 使 样 品 阳 极极 化 ￾ 将样 品 阳极钝 化 处理 后 立 即进 行 实验 测 量 以减 少 氢 的损 失 ￾ ￾￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾￾ 纳 米 力 学压 痕 实验 测 试 设 备 配 有 扫 描 探 针 显 微 镜 ， 可 在 压 痕 前 、 后 进 行 区 域 选择 和 压 痕形 貌 的原位 成 像 ， 从而 原位 观 察压 痕 前后 表 面 形貌变 化及 压 痕 形状 和 大 小 ￾ 利用 载 荷控 制 模 式给 定最 大载荷 ， 在 压 痕 过程 中连 续记 录 位 移 随施 加 载 荷 的变 化 ￾ 实 验 中选 用 的 ￾￾￾ ￾￾￾￾针 尖 的 曲率 半径 为 ￾￾ ￾ ￾ 为研 究氢 对 钝 化膜 纳米 力 学性 能 的影 响 ， 实验 分 别在 经 过钝 化 处 理 的样 品 和 预 充 氢 后 再 钝 化 处 理 的样 品 上 进 行 ， 载 荷 加 载 的速 度 控 制 在 ￾一￾￾ 州￾ 范 围 ￾ 在 最 大 载荷 处停 留时 间为 ￾￾， 以防止钝化 膜表 面 发 生蠕 变 ￾ 样 品表 面 的粗糙 度 为 ￾￾￾ ￾ ￾ 实验 结 果 ￾￾ 充氢 电流 密 度 与 ￾￾ 不 锈 钢 基 体 中氢 含 量 基 体 中氢 含量 随充氢 电流 密度 的变 化 如 图 ￾ ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．２００３．０６．０１２