作者：Duanjie Li Ph.D.，首席材料科学家，Nanovea，加拿大尔湾市
作为工业上最常见的故障机制，材料的腐蚀每年给美国经济造成数以千亿美元的损失。需要实施最佳的腐蚀控制实验来提升材料的使用生命周期和提高资产管理水平。与自然环境下进行的腐蚀试验相比，人工加速试验可以大幅加速测试速度。实验室腐蚀试验可以非常近似地模拟大气环境对材料腐蚀机理的影响，这种实验室腐蚀试验可以显著提升质量控制水平和新材料以及用于挑战性环境的保护性涂料的研发。
材料的机械性能会由于腐蚀的产生而变差。比如，碳钢在大气环境下腐蚀会形成 γ-羟基氧化铁（γ-FeOOH）和α-羟基氧化铁（α-FeOOH）。γ-羟基氧化铁（γ-FeOOH）和α-羟基氧化铁（α-FeOOH）松散而多孔的特性导致它们很容易吸收湿气，这样反过来也加速了腐蚀过程。β-羟基氧化铁（β-FeOOH）,另一种铁氧化物，在钢铁暴露在含氯化物的环境时，产生于钢铁表面。纳米压痕仪可以将压痕的深度控制到微米级甚至是纳米级，这样就使定量测试产生于金属表面的腐蚀产物的硬度和杨氏模量成为可能（见图1）。在腐蚀机理中，它提供了物理化学的视野，极大地方便了我们根据目标应用选择最佳的备选材料。
在这次试验中，我们展示了Nanovea的机械测试仪，在纳米压痕模式下，测试了在腐蚀介质中铁锈对两种类型的钢制螺丝的机械性能演化的影响。
| 图1：腐蚀螺丝上的压头。 |
表1：腐蚀试验后纳米压痕仪的测试环境参数
| 样品 | SS316和钢合金螺丝 |
| 最大负载（m N） | 200 |
| 加载速度（m N/min） | 400 |
| 卸载速度（m N/min） | 400 |
| 计算方法 | ASTM E-2546及Oliver & Pharr |
| 压头类型 | 别尔科维奇金刚石 |
在这篇文章中，纳米压痕仪主要在两种钢材制成的螺丝上做实验，它们是不锈钢316（SS316）和具有黑色氧化物表面的合金钢。这些螺丝分别被浸在3.5%（重量百分比）的NaCl溶液中7天和14天，接着，在使用纳米压痕仪测试前，用异丙醇和丙酮溶液彻底清洗干净。以无腐蚀的螺丝作为标准样对照。具体进行纳米压痕测定的环境参数详见表1.，每种测试环境下的试验至少进行了10次以上，以保证测试结果的可重复性。
纳米压痕仪在经过不同腐蚀时间的不锈钢SS316和合金钢上的负载-位移图详见图2.。硬度作为一个表示腐蚀时间的参数被记录在图3。SS316不锈钢螺丝在3.5%NaCl溶液中浸泡14天的过程中，机械性能始终如一。从对照的负载-位移曲线计算，它具有恒定的纳米压痕硬度，约为4.5GPa。而由于黑色氧化铁层对其表面机械性能的加强，合金钢螺丝则表现出更高的表面硬度-6.7GPa；但是合金钢螺丝被浸渍在3.5%NaCl溶液中7天后，其表面硬度迅速降低到约4.6GPa。
为了研究合金钢螺丝硬度下降的原因，合金钢螺丝浸渍在NaCl溶液中7天后和14天后的腐蚀演变分别见图4和图5。我们可以观察到在图4中，红色腐蚀产物逐渐累积在合金钢螺丝表面；在图5中，这些红色腐蚀产物分散到了NaCl溶液中。这种多孔且松散的红色铁锈的形成导致合金表面超硬黑色氧化铁层性能的退化。最终，将其表面硬度从6.7GPa降低到4.6GPa。
在腐蚀介质中进行的人工加速腐蚀试验，可以模拟自然环境对金属影响，对质量控制和新材料研发及用于严重腐蚀环境下的重防腐涂料的研发具有战略重要性。纳米压痕仪可以让我们针对腐蚀对各种金属或用于特定应用的涂层的机械性能的影响展开定量评估。对金属表面机械性能的评估研究，可以让我们对隐藏在腐蚀产物的形成过程中的退化机理有更深的物理化学方面的理解。金属退化在各种工业应用如石油工业、海运行业中都非常严重。作为碳钢的升级加强版，不锈钢可以加强和提升暴露于恶劣环境下的机械部件的耐久性和可靠性。
使用Nanovea机械测试仪在两套分别用SS316不锈钢和合金钢制成的螺丝上进行纳米压痕试验。在盐溶液中进行的人工加速腐蚀试验和从自然气候环境下得到的试验相比，所得结果更快速，可以明显帮助新合金和新涂料的研发。腐蚀反应对金属表面机械性能有负面影响，如合金钢在3.5%NaCl溶液浸渍第一个7天后，其表面硬度从6.7GPa降低到4.6GPa。这个硬度值在下一个7天浸渍腐蚀实验中保持不变。相对应的，不锈钢SS316在整个腐蚀试验中表现了恒定如一的硬度，展现了防腐性能对可靠的机械性能的重要性。
试验仪可以在同一个平台上提供多功能的纳米、微米及更大的测试模块。两种模块都有刮擦测试、硬度测试和摩擦测试等模式，可以提供更广、更友好的测试体验。
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| 图2： SS316不锈钢和合金钢螺丝在经初始、7天后、14天腐蚀试验后的负载-位移图。
（a） SS316不锈钢 (b) 合金钢 腐蚀试验前；7天腐蚀试验后；14天腐蚀试验后， Load 负载 m N; Displacement(um) 位移（微米） |
| 图3：硬度作参数随腐蚀时间的变化图
Hardness 硬度GPa ， corrosion time（days）腐蚀时间（天数） SS316 不锈钢， Alloy Steel 合金钢 |
| 图4：合金钢螺丝在腐蚀试验前、7天后，和14天后的俯视图及左视图。
（a）俯视图 （b）左视图 |
| 图5：螺丝浸渍在3.5%NaCl溶液中7天后和14天后的图片
（a）浸渍7天 （b）浸渍14天
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1 http://www.nace.org/uploadedFi les /Publ ications /ccsupp.pdf.
2 Almeida, E.; Morcillo, M.; Rosales, B.; Marrocos, M. Atmospheric orrosion of Mild Steel Part I − Rural and Urban
Atmospheres,” Materisals and Corrosion, vol. 51, no. 12, pp.859-864, 2000.
3 Kamimura, T.; Hara, S.; Miyuki, H.; Yamashita, M.; Uchida,H. Composition and Protective Ability of Rust Layer Formedon Weathering Steel Exposed to Various Environments, Corrosion Science, vol. 48, no. 9, pp. 2799-2812, 2006.
