JP6176021B2 - Electrochemical nanoindentation test method - Google Patents
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Description
本発明は、ナノメートルスケールの微小押し込み試験に用いられるナノインデンテーション試験装置に関し、特に、試料に対し電気化学的に水素を導入(チャージ)しながらナノインデンテーション測定を行うことを可能にする電気化学ナノインデンテーション試験装置及びその試験方法に関する。 The present invention relates to a nanoindentation test apparatus used for a nanometer-scale micro-indentation test, and more particularly, to an electricity that enables nanoindentation measurement while electrochemically introducing hydrogen into a sample (charging). The present invention relates to a chemical nanoindentation test apparatus and a test method thereof.
近年、高強度鋼の更なる開発を進めていく上で、水素脆化の問題に抜本的な対策を打つことが重要視されつつある。鋼中において、水素は転位、粒界、介在物、歪み場等の様々な格子欠陥にトラップされ、破壊を引き起こす。このため、微小領域の機械特性(硬さ、弾性率等)や転位運動に及ぼす水素の影響を究明することが重要と言える。 In recent years, as further development of high-strength steel is being promoted, it has been regarded as important to take radical measures against the problem of hydrogen embrittlement. In steel, hydrogen is trapped by various lattice defects such as dislocations, grain boundaries, inclusions, and strain fields, causing destruction. For this reason, it can be said that it is important to investigate the influence of hydrogen on the mechanical properties (hardness, elastic modulus, etc.) and the dislocation motion in a minute region.
一般に、粒界、析出物等のミクロ組織の機械特性を評価するために、ナノインデンテーション(以下、「NI」ともいう)法が利用されている。NI法は、ナノスケールの圧子を試料の表面に押し込み、その際の圧子の押し込み荷重と侵入深さ(押し込み深さ)を逐次取得し、この荷重と深さの関係から試料の極表層(表面から深さ1μm以内)における微視的な硬さや弾性率等を測定する手法である。 In general, a nano-indentation (hereinafter, also referred to as “NI”) method is used to evaluate mechanical properties of a microstructure such as a grain boundary or a precipitate. In the NI method, a nanoscale indenter is pushed into the surface of a sample, and the indentation load and penetration depth (indentation depth) of the indenter at that time are sequentially acquired. From the relationship between the load and depth, the extreme surface layer (surface) And a microscopic hardness and elastic modulus at a depth of 1 μm or less).
ところで、圧子が押し込まれる試料の極表層では、水素を飽和量まで導入しても、その試料を大気雰囲気中に置くと、導入された水素が拡散して放出され、水素濃度は短時間で低下してしまう。このため、試料の表面が大気雰囲気に露出した状態でNI測定を行っても、その測定結果が水素の影響を直接反映しているとは言い難い。そこで、このような不都合に対処するため、試料の保持具として陰極水素チャージ用の電気化学セルを組み込んだNI試験装置を用い、試料に対し電解液中で電気化学的に水素を導入しながらNI測定を行う電気化学NI(以下、「EC−NI」ともいう)法が提案されている(例えば、非特許文献1、2参照)。 By the way, in the extreme surface layer of the sample where the indenter is pushed in, even if hydrogen is introduced up to the saturation amount, if the sample is placed in the atmosphere, the introduced hydrogen is diffused and released, and the hydrogen concentration decreases in a short time. Resulting in. For this reason, even if NI measurement is performed in a state where the surface of the sample is exposed to the air atmosphere, it cannot be said that the measurement result directly reflects the influence of hydrogen. In order to cope with such inconvenience, an NI test apparatus incorporating an electrochemical cell for cathodic hydrogen charging is used as a sample holder, and NI is introduced into the sample while electrochemically introducing hydrogen into the electrolyte. An electrochemical NI (hereinafter also referred to as “EC-NI”) method for measuring is proposed (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).
水素脆化は、水素を含有した鋼材を低歪み速度で変形させたときに発生し、高歪み速度では発生しない。一方、従来のEC−NI法では、測定中の圧子や試料の熱変形、いわゆる熱ドリフトを無視することができず、再現性のあるデータが得られる押し込み時間は数十秒以下に制限されている。このため、現状では、押し込み時間が長くなる低歪み速度での測定は困難であり、水素の影響を精確に測定できているとは言い難い。 Hydrogen embrittlement occurs when a steel material containing hydrogen is deformed at a low strain rate and does not occur at a high strain rate. On the other hand, in the conventional EC-NI method, thermal deformation of the indenter or sample during measurement, so-called thermal drift cannot be ignored, and the indentation time for obtaining reproducible data is limited to several tens of seconds or less. Yes. For this reason, under the present circumstances, it is difficult to measure at a low strain rate where the indentation time becomes long, and it is difficult to say that the influence of hydrogen can be accurately measured.
本発明の目的は、次の特性を有する電気化学ナノインデンテーション試験装置及びその試験方法を提供することである:
水素脆化が顕在化する低歪み速度で水素の影響を精確に測定すること。
An object of the present invention is to provide an electrochemical nanoindentation test apparatus and test method having the following characteristics:
Accurately measure the effect of hydrogen at a low strain rate where hydrogen embrittlement becomes apparent.
本発明の要旨は、次の通りである。 The gist of the present invention is as follows.
(I)電気化学ナノインデンテーション法による試験装置であって、
試料を保持し、この試料の表面に電気化学的に水素を導入する電気化学セルと、
水素が導入されている過程で前記試料の前記表面に押し込まれる圧子と、
前記圧子の押し込み荷重、及び押し込み時間を制御するコントローラと、
荷重発生器、及び前記押し込み荷重と前記圧子の変位の検出器であるトランスデューサと、
前記押し込み荷重に振幅変調を付加する任意波形発生器と、
接触剛性を検出するロックインアンプと、
前記試料のナノ硬さを算出する演算装置と、を備え、
前記圧子を前記試料に押し込む際に、前記押し込み荷重に振幅変調を付加する、電気化学ナノインデンテーション装置。
(I) a test apparatus using an electrochemical nanoindentation method,
An electrochemical cell that holds the sample and electrochemically introduces hydrogen into the surface of the sample;
An indenter that is pushed into the surface of the sample in the course of hydrogen being introduced;
A controller for controlling indentation load and indentation time of the indenter;
A load generator and a transducer that is a detector of the indentation load and displacement of the indenter;
An arbitrary waveform generator for adding amplitude modulation to the indentation load;
A lock-in amplifier that detects contact rigidity;
An arithmetic device for calculating the nano hardness of the sample,
An electrochemical nanoindentation device that adds amplitude modulation to the indentation load when the indenter is indented into the sample.
(II)電気化学ナノインデンテーション法による試験方法であって、
試料の表面に電気化学的に水素を導入しながら、前記試料の前記表面に圧子を押し込む際に、任意波形発生器により前記圧子の押し込み荷重に振幅変調を付加し、発生した圧子の変位から、ロックインアンプにより接触剛性を検出して、逐次取得された押し込み荷重と接触剛性からナノ硬さを算出する、電気化学ナノインデンテーション試験方法。
(II) Electrochemical nanoindentation test method,
When introducing an indenter into the surface of the sample while electrochemically introducing hydrogen to the surface of the sample, an amplitude modulation is added to the indentation load of the indenter by an arbitrary waveform generator, and from the generated displacement of the indenter, An electrochemical nanoindentation test method in which contact hardness is detected by a lock-in amplifier, and nanohardness is calculated from indentation load and contact rigidity acquired sequentially.
上記の試験方法において、前記圧子の押し込み時間を60分以上とし、前記振幅変調の周波数を10〜300Hzの範囲内とすることが好ましい。 In the above test method, it is preferable that the indenter is pushed in for 60 minutes or more and the amplitude modulation frequency is in a range of 10 to 300 Hz.
本発明の電気化学ナノインデンテーション試験装置及びその試験方法は、下記の顕著な効果を有する:
水素脆化が顕在化する低歪み速度で水素の影響を精確に測定できること。
The electrochemical nanoindentation test apparatus and test method of the present invention have the following remarkable effects:
The effect of hydrogen can be accurately measured at a low strain rate where hydrogen embrittlement becomes obvious.
本発明の電気化学ナノインデンテーション試験装置及びその試験方法は、下記の確認試験を経て完成したものである。 The electrochemical nanoindentation test apparatus and test method of the present invention have been completed through the following confirmation test.
1.確認試験
現在実用化されているEC−NI試験装置は、圧子の押し込み時間を数十s(秒)程度と短くしなければ、圧子の押し込み深さを精度よく測定することができない。押し込み時間が長いと、圧子や試料の熱ドリフトが影響するからである。また、水素脆化の発生の有無は、歪み速度に大きく依存することが知られている。例えば、水素を導入した純鉄の試料に対して、室温で引張試験を実施すると、歪み速度が10-4/s以下で小さい場合、破面は水素脆化特有の擬へき開破面となる。これに対し、歪み速度が10-3/s以上で大きい場合、破面はディンプル破面となり水素の影響が認められない。
1. Confirmation Test The EC-NI test apparatus currently in practical use cannot accurately measure the indentation depth unless the indenter pushing time is shortened to about several tens of seconds. This is because if the indentation time is long, the thermal drift of the indenter and the sample affects. Further, it is known that the presence or absence of hydrogen embrittlement greatly depends on the strain rate. For example, when a tensile test is performed on a pure iron sample into which hydrogen is introduced at room temperature, the fracture surface becomes a pseudo-cleavage surface peculiar to hydrogen embrittlement when the strain rate is as small as 10 −4 / s or less. On the other hand, when the strain rate is large at 10 −3 / s or more, the fracture surface becomes a dimple fracture surface and no influence of hydrogen is recognized.
ここで、半径がRの球形圧子をΔtの押し込み時間でhmaxの深さまで押し込んだ際、その歪み速度εdot(歪みεの時間微分を意味する。以下の式中では、記号「ε」の上部にドット記号「・」を付して示す。)は、下記の(1)式で与えられる。 Here, when a spherical indenter with a radius of R is pushed down to a depth of h max with a pushing time of Δt, the strain rate ε dot (means the time derivative of the strain ε. In the following equation, the symbol “ε” The dot symbol “·” is attached to the upper part.) Is given by the following equation (1).
この(1)式に、EC−NI測定の実際の試験条件として、R=1μm、hmax=200nm、及びΔt=5sを代入すると、εdot=2.4×10-2/sが得られる。この歪み速度εdotの値は、上記の引張試験で水素脆化が発生する典型的な歪み速度(10-4/s以下)と比べて大きい。 By substituting R = 1 μm, h max = 200 nm, and Δt = 5 s into the equation (1) as actual test conditions for EC-NI measurement, ε dot = 2.4 × 10 −2 / s is obtained. . The value of the strain rate ε dot is larger than a typical strain rate (10 −4 / s or less) at which hydrogen embrittlement occurs in the above tensile test.
したがって、EC−NI法で水素脆化機構をより詳細に検討するには、最大押し込み深さhmaxを小さくするか、又は、押し込み時間Δtを大きくし、歪み速度εdotを小さくすることが不可欠である。最大押し込み深さhmaxを小さくすると、押し込み深さについてノイズ/信号比が大きくなり、その結果として、精確なナノ硬さは得られない。よって、押し込み時間Δtを大きくすることが有効である。(1)式より10-4/sの歪み速度を得るには、押し込み時間はΔt≧60min(分)でなければならず、熱ドリフトの影響を補正した測定が必要と言える。 Therefore, in order to study the hydrogen embrittlement mechanism in more detail by the EC-NI method, it is essential to reduce the maximum indentation depth h max or increase the indentation time Δt and reduce the strain rate ε dot. It is. When the maximum indentation depth h max is reduced, the noise / signal ratio increases with respect to the indentation depth, and as a result, accurate nano hardness cannot be obtained. Therefore, it is effective to increase the pushing time Δt. In order to obtain a strain rate of 10 −4 / s from the equation (1), the indentation time must be Δt ≧ 60 min (minutes), and it can be said that measurement that corrects the influence of thermal drift is necessary.
そこで、後述するように、本発明の実施形態であるEC−NI試験装置を利用し、押し込み時間がΔt≧60minと長い条件、すなわち低歪み速度の条件で圧子の押し込みが可能なEC−NI法により、fcc合金のナノ硬さへの水素の影響を調査した。 Therefore, as will be described later, an EC-NI method that uses the EC-NI test apparatus according to an embodiment of the present invention and can indent the indenter under a condition where the indentation time is long as Δt ≧ 60 min, that is, at a low strain rate. Thus, the influence of hydrogen on the nano hardness of the fcc alloy was investigated.
<低歪み速度EC−NI法の測定原理>
通常のNI測定では、試料の表面に圧子を押し込み、その際の圧子の変位量から求まる押し込み深さhと、押し込み荷重Pを逐次取得し、この押し込み荷重Pと押し込み深さhとの関係、すなわちP−h曲線を得る。図1は、P−h曲線の模式図である。そして、得られたP−h曲線に基づき、OliverとPharrが提案した解析法(O−P法)によって解析を行い、ナノ硬さHnと弾性率Erを導出する。すなわち、ナノ硬さHnと弾性率Erは、図1に示すように、最大荷重Pmaxと、P−h曲線における除荷部の傾き(以下、「接触剛性」ともいう)Sを用い、下記の(2)式及び(3)式から求められる。
<Measurement principle of low strain rate EC-NI method>
In normal NI measurement, an indenter is pushed into the surface of the sample, the indentation depth h determined from the displacement of the indenter at that time, and the indentation load P are sequentially obtained, and the relationship between the indentation load P and the indentation depth h. That is, a Ph curve is obtained. FIG. 1 is a schematic diagram of a Ph curve. Then, based on the P-h curve obtained, analyzed by Oliver and Pharr proposed by analysis method (O-P method), we derive the nano hardness H n and the elastic modulus E r. That is, as shown in FIG. 1, the nanohardness H n and the elastic modulus Er use the maximum load P max and the slope (hereinafter also referred to as “contact stiffness”) S of the unloading portion in the Ph curve. The following formulas (2) and (3) are used.
試料は、圧子が押し込まれると部分的に弾性変形する。このため、最大押し込み深さhmaxは、圧子が取り除かれた後の圧痕の深さ(以下、「接触深さ」ともいう)hcと単純に等しくはならない。接触深さhcと最大押し込み深さhmaxとは、下記の(4)式の関係がある。 The sample is partially elastically deformed when the indenter is pushed in. For this reason, the maximum indentation depth h max is not simply equal to the depth of the indentation (hereinafter also referred to as “contact depth”) h c after the indenter is removed. The contact depth h c and the maximum push-in depth h max have the relationship of the following expression (4).
上記(2)式及び(3)式中、Acは圧痕の投影面積であり、圧子の形状によって定義される接触深さhcの関数である。圧痕投影面積Acの関数の形は、予め標準試料に圧子を押し込むことにより実験的に求めることができる。このようなO−P法を用いた解析は、P−h曲線から、弾性率Erとナノ硬さHnの2つの特性を同時にかつ簡便に得られる利点がある。しかし、圧子の変位量は熱ドリフトにより徐々に変化するため、押し込み時間Δtが長いと、精確なP−h曲線を得ることができず、その結果として精確なナノ硬さHnを得ることができない。 In the above formulas (2) and (3), A c is the projected area of the indentation and is a function of the contact depth h c defined by the shape of the indenter. Function of the form indentations projected area A c may be determined experimentally by pushing an indenter in advance in the standard sample. Such O-P method analysis using from P-h curve, there are two characteristics simultaneously and conveniently the advantage of the elastic modulus E r and the nano hardness H n. However, since the displacement of the indenter changes gradually due to thermal drift, if the push-in time Δt is long, an accurate Ph curve cannot be obtained, and as a result, an accurate nano hardness H n can be obtained. Can not.
そこで、このような従来のEC−NI法の問題を克服するため、圧子を一定の周波数で微小振動させる基準周波数法(R−F法:Reference Frequency法)を利用したEC−NI測定の可能性を検討した。試料に圧子を押し込む際、任意波形発生器により、押し込み荷重Pに数百Hzの微小な振幅変調を付加する。その結果として生じる圧子の変位の振動から、ロックインアンプにより、接触剛性Sを逐次検出し取得する。更に、逐次取得した接触剛性S及び押し込み荷重P、並びに既知の弾性率Erを用い、上記(3)式により、圧子押し込み中の任意の荷重における圧痕投影面積Acと接触深さhcを求める。この弾性率Erは、熱ドリフトが無視できる短い押し込み時間Δtで測定された通常のP−h曲線を、O−P法により解析することで取得する。 Therefore, in order to overcome such problems of the conventional EC-NI method, the possibility of EC-NI measurement using a reference frequency method (RF method: Reference Frequency method) in which the indenter is microvibrated at a constant frequency. It was investigated. When the indenter is pushed into the sample, a minute amplitude modulation of several hundred Hz is added to the pushing load P by an arbitrary waveform generator. The contact stiffness S is sequentially detected and acquired by the lock-in amplifier from the resulting vibration of the indenter displacement. Further, by using the contact stiffness S and the indentation load P acquired sequentially and the known elastic modulus Er , the indentation projected area A c and the contact depth h c at an arbitrary load during indenter indentation can be obtained by the above equation (3). Ask. This elastic modulus Er is obtained by analyzing a normal Ph curve measured with a short indentation time Δt in which thermal drift is negligible by the OP method.
上記(2)式により、圧痕投影面積Acから任意の荷重におけるナノ硬さHnが得られる。また、上記(4)式により、接触深さhcから押し込み深さh、及びP−h曲線を得ることができる。このように、R−F法を用いた場合、押し込み深さは、接触剛性から間接的に求められる。荷重の振幅変調の周期は、数十ms(ミリ秒)であり、この間では熱ドリフトは極めて小さい。したがって、ロックインアンプで検出された接触剛性Sへの熱ドリフトの影響は無視してよく、R−F法を用いれば、熱ドリフトの影響がない精確な測定を行える可能性がある。 The above equation (2), the nano-hardness H n at any load from indentation projected area A c is obtained. Further, the indentation depth h and the Ph curve can be obtained from the contact depth h c by the above equation (4). Thus, when the RF method is used, the indentation depth is obtained indirectly from the contact rigidity. The period of amplitude modulation of the load is several tens of milliseconds (milliseconds), and the thermal drift is extremely small during this period. Therefore, the influence of the thermal drift on the contact rigidity S detected by the lock-in amplifier may be ignored. If the RF method is used, there is a possibility that an accurate measurement without the influence of the thermal drift can be performed.
<測定手順>
試料には、下記の表1に示す組成の3種類のNi−Cr合金(79Ni−20Cr、69Ni−30Cr、56Ni−43Cr)と純Ni、及びSUS316Lを用いた。いずれもfcc合金である。これらのうち、純NiとSUS316Lの試料は、赤外線真空炉でアニール処理を施した後、エメリー紙とアルミナ砥粒で機械研磨を行い、更に電解研磨で機械研磨による表面加工層を除去した。アニール温度と時間は、純Niの試料については、1270K×900s(炉冷)、SUS316Lの試料については、1270K×1800s(炉冷)とした。Ni−Cr合金の試料は、熱間鍛造まま材(鍛造温度1470K、空冷)に、同様の機械研磨及び電解研磨を施した。純Ni試料の結晶粒径は約200μm、SUS316L試料の結晶粒径は約20μm、Ni−Cr合金試料の結晶粒径は、いずれも約50μmであった。試料のサイズは、いずれも、10mm角で厚み2mmとした。
<Measurement procedure>
Three types of Ni—Cr alloys (79Ni-20Cr, 69Ni-30Cr, 56Ni-43Cr), pure Ni, and SUS316L having the compositions shown in Table 1 below were used as samples. Both are fcc alloys. Of these, pure Ni and SUS316L samples were annealed in an infrared vacuum furnace, then mechanically polished with emery paper and alumina abrasive grains, and the surface processed layer by mechanical polishing was removed by electrolytic polishing. The annealing temperature and time were set to 1270 K × 900 s (furnace cooling) for the pure Ni sample and 1270 K × 1800 s (furnace cooling) for the SUS316L sample. The sample of the Ni—Cr alloy was subjected to the same mechanical polishing and electrolytic polishing on the hot forged material (forging temperature 1470K, air cooling). The crystal grain size of the pure Ni sample was about 200 μm, the crystal grain size of the SUS316L sample was about 20 μm, and the crystal grain size of the Ni—Cr alloy sample was about 50 μm. Each sample size was 10 mm square and 2 mm thick.
3×10-4/sの歪み速度で引張試験を行い水素導入による破断伸びの低下量から評価した耐水素脆化性は、SUS316Lが最も良好であり、続いて、純Ni、79Ni−20Cr、69Ni−30Cr、56Ni−43Crの順で良好であった。 As for hydrogen embrittlement resistance evaluated by a tensile test at a strain rate of 3 × 10 −4 / s and evaluated from a decrease in elongation at break by introduction of hydrogen, SUS316L is the best, followed by pure Ni, 79Ni-20Cr, It was favorable in the order of 69Ni-30Cr and 56Ni-43Cr.
本発明の実施形態であるEC−NI試験装置(Hysitron社製TriboIndenter-950に電気化学セルを設置)に、試料を組み込み、低歪み速度でEC−NI測定を実施した。EC−NI試験装置及びその電気化学セルの基本的な構成は、後述する。 A sample was incorporated into an EC-NI test apparatus (an electrochemical cell installed in TriboIndenter-950 manufactured by Hysitron), which is an embodiment of the present invention, and EC-NI measurement was performed at a low strain rate. The basic configuration of the EC-NI test apparatus and its electrochemical cell will be described later.
陰極水素チャージ用の電解液には、ホウ酸緩衝液(0.15MのH3BO4+0.0375MのNa2B4O7、pH8.62)を用い、陰極電流密度を2.5A/m2に設定し、電流制御で水素を導入した。試料の結晶粒内のみへの圧子押し込みを実現するため、圧子としては、先端の曲率半径が約1μmのダイアモンド製球形圧子を用いた。 A borate buffer solution (0.15 M H 3 BO 4 +0.0375 M Na 2 B 4 O 7, pH 8.62) was used as an electrolyte for cathodic hydrogen charging, and the cathode current density was 2.5 A / m. 2 was set and hydrogen was introduced under current control. In order to achieve the indentation only into the crystal grains of the sample, a diamond spherical indenter having a radius of curvature of about 1 μm was used as the indenter.
歪み速度εdotの調整は、最大押し込み深さが約200nmになるように最大荷重を設定し、押し込み時間を変化させることで行った。このため、Ni−Cr合金の各試料と、SUS316Lの試料については、最大(駆動)荷重を4000μNとし、純Niの試料については最大荷重を3000μNとした。その際、R−F法を利用して熱ドリフトを補正するため、任意波形発生器により押し込み荷重Pには周波数が200Hzの正弦波の振幅変調を付加した。この変調の荷重振幅は、押し込み荷重Pの値の3%となるように、圧子押し込み中に動的に変化させた。 The strain rate ε dot was adjusted by setting the maximum load so that the maximum indentation depth was about 200 nm and changing the indentation time. For this reason, the maximum (drive) load was set to 4000 μN for each sample of Ni—Cr alloy and the sample of SUS316L, and the maximum load was set to 3000 μN for the sample of pure Ni. At that time, in order to correct the thermal drift by using the R-F method, a sinusoidal amplitude modulation with a frequency of 200 Hz was added to the indentation load P by an arbitrary waveform generator. The load amplitude of this modulation was dynamically changed during the indenter pushing so that it became 3% of the value of the pushing load P.
R−F法による熱ドリフトの補正に必要な弾性率Erは、押し込み時間Δtを5sとし、通常の方法で求めたP−h曲線を、O−P法で解析して取得した。いずれの試料も水素導入の有無に関わらず、弾性率Erの値は、約200GPaで一定であった。 The elastic modulus Er required for correcting the thermal drift by the RF method was obtained by analyzing the Ph curve obtained by a normal method with an indentation time Δt of 5 s and the OP method. In all the samples, the value of the elastic modulus Er was constant at about 200 GPa regardless of whether hydrogen was introduced.
下記の表2に、測定を実施した押し込み時間Δt、これに対応する歪み速度εdotの値(R=1μm、hmax=200nmとして上記(1)式より算出)、及び試験実施数(N数)を示す。歪み速度εdotは、1.2/sから1.1×10-5/sの広い範囲内で変更し、各々の押し込み時間ΔtにおいてN数を2又は3とした。 Table 2 below shows the indentation time Δt at which the measurement was performed, the value of the strain rate ε dot corresponding thereto (R = 1 μm, h max = 200 nm, calculated from the above equation (1)), and the number of tests performed (N number) ). The strain rate ε dot was changed within a wide range from 1.2 / s to 1.1 × 10 −5 / s, and the N number was set to 2 or 3 at each indentation time Δt.
<試験結果>
≪低歪み速度EC−NI測定に電解液が及ぼす影響≫
押し込み時間Δtを長く設定して圧子を押し込むと、その過程で電解液が蒸発して、浮力が変化したり、圧子に作用する表面張力が変化したりし、精確な測定が行えない可能性がある。そこで、先ず、56Ni−43Cr合金について、大気中で測定した結果のP−h曲線と、電解液中で水素を導入せずに測定した結果のP−h曲線を比較し、電解液が測定結果に及ぼす影響について検討した。
<Test results>
≪Effect of electrolyte on low strain rate EC-NI measurement≫
If the indenter is pushed in with a long indentation time Δt, the electrolyte may evaporate in the process, and the buoyancy may change, or the surface tension acting on the indenter may change, and accurate measurement may not be possible. is there. Therefore, first, for the 56Ni-43Cr alloy, the Ph curve measured in the atmosphere is compared with the Ph curve measured without introducing hydrogen in the electrolyte. The effect on the effect was examined.
図2は、押し込み時間Δtを60minとしたR−F法による測定で得られたP−h曲線を示す図である。ここで、同図中のP−h曲線は、同じ結晶粒に対して得られた3つのP−h曲線の平均曲線であり、除荷部の曲線は省略している。大気中でのP−h曲線及び電解液中でのP−h曲線は、同じ結晶粒に圧子を押し込んで取得した。図2に示す結果から、大気中と電解液で、P−h曲線の軌跡はほぼ一致することが分かった。したがって、測定結果への浮力や表面張力の影響は小さく、R−F法を用いた熱ドリフトの補正は、大気中、及び電解液中において適用できると判断できる。 FIG. 2 is a graph showing a Ph curve obtained by measurement by the RF method with an indentation time Δt of 60 min. Here, the Ph curve in the figure is an average curve of three Ph curves obtained for the same crystal grain, and the curve of the unloading part is omitted. The Ph curve in the atmosphere and the Ph curve in the electrolyte were obtained by pressing an indenter into the same crystal grain. From the results shown in FIG. 2, it was found that the locus of the Ph curve is almost the same between the atmosphere and the electrolyte. Therefore, the influence of buoyancy and surface tension on the measurement result is small, and it can be determined that the correction of thermal drift using the RF method can be applied in the atmosphere and in the electrolyte.
更に、水素を導入している最中においても、電解液の影響を無視できるのかを検討した。このため、56Ni−43Cr合金に対して水素導入の有無で電解液の蒸発量がどのように変化するのかを調べた。図3は、温度が20℃、湿度が20%〜30%の環境下で測定した電解液の時間変化を示す図であり、同図(a)は水位の時間変化を、同図(b)は浮力の時間変化をそれぞれ示す。水位は、電解液の質量の変化を電子天秤で測定し、これらの測定値と電解液の密度及び電気化学セルの開口部面積(貯えられている電解液の表出面積)から計算した。一方、浮力は、水位と実際の圧子の形状から計算した。 Furthermore, it was examined whether the influence of the electrolyte solution can be ignored even during the introduction of hydrogen. For this reason, it was investigated how the evaporation amount of the electrolytic solution changed with or without hydrogen introduction in the 56Ni-43Cr alloy. FIG. 3 is a diagram showing the time change of the electrolyte measured in an environment where the temperature is 20 ° C. and the humidity is 20% to 30%. FIG. 3 (a) shows the time change of the water level. Indicates time variation of buoyancy. The water level was calculated from the measured value, the density of the electrolytic solution, and the opening area of the electrochemical cell (the exposed area of the stored electrolytic solution) by measuring the change in the mass of the electrolytic solution with an electronic balance. On the other hand, the buoyancy was calculated from the water level and the actual shape of the indenter.
図3に示すように、水素導入の有無に関わらず、水位と浮力は、時間の経過に伴ってほぼ同じように変化した。特に、浮力は、6時間(360min)経過後も、わずか2μNしか変化しないことが分かった。したがって、水素導入を行った際にも、浮力や表面張力の影響は無視してよいと言える。 As shown in FIG. 3, the water level and the buoyancy changed in almost the same manner with time regardless of the presence or absence of hydrogen introduction. In particular, the buoyancy was found to change only 2 μN even after 6 hours (360 min). Therefore, it can be said that the influence of buoyancy and surface tension can be ignored when hydrogen is introduced.
≪水素影響の歪み速度依存性≫
水素が影響を及ぼす歪み速度εdotの依存性を明らかにするため、電解液中で水素を導入した状態と導入しない状態で、押し込み時間Δtを変化させて圧子を押し込み、P−h曲線を測定した。図4は、56Ni−43Cr合金の表面に圧子を押し込んで得られたP−h曲線を示す図である。図5は、SUS316Lの表面に圧子を押し込んで得られたP−h曲線を示す図である。
≪Strain rate dependence of hydrogen effect≫
In order to clarify the dependence of the strain rate ε dot that is affected by hydrogen, the indenter is pushed in with the indentation time Δt, with or without hydrogen introduced in the electrolyte, and the Ph curve is measured. did. FIG. 4 is a diagram showing a Ph curve obtained by pressing an indenter into the surface of a 56Ni-43Cr alloy. FIG. 5 is a diagram showing a Ph curve obtained by pushing an indenter into the surface of SUS316L.
結晶粒による違いを排除するため、同じ押し込み時間Δtでのデータは、各試料で同じ結晶粒内に圧子を押し込んで測定した。図4及び図5中のP−h曲線は、図2の場合と同様に、得られた3つ、若しくは2つのP−h曲線の平均曲線である。押し込み時間がΔt=1sのデータは、R−F法を適用しない従来のEC−NI法により測定し、押し込み時間がΔt≧5sのデータは、R−F法を適用して測定した。 In order to eliminate differences due to crystal grains, the data at the same indentation time Δt was measured by indenting an indenter into the same crystal grain in each sample. The Ph curves in FIGS. 4 and 5 are average curves of the three or two Ph curves obtained as in the case of FIG. Data with an indentation time of Δt = 1 s was measured by a conventional EC-NI method not applying the RF method, and data with an indentation time of Δt ≧ 5 s was measured by applying the RF method.
56Ni−43Cr合金では、図4に示すように、押し込み時間がΔt=1s及びΔt=5sの条件では、水素を導入すると、最大押し込み深さhmaxが減少し、その結果としてナノ硬さHnが増加した。一方、押し込み時間がΔt≧60minの条件では、水素による最大押し込み深さhmaxの変化は認められなかった。 In the 56Ni-43Cr alloy, as shown in FIG. 4, under the conditions where the indentation time is Δt = 1 s and Δt = 5 s, when hydrogen is introduced, the maximum indentation depth h max decreases, and as a result, the nano hardness H n increased. On the other hand, under the condition where the indentation time is Δt ≧ 60 min, no change in the maximum indentation depth h max due to hydrogen was observed.
これに対し、SUS316Lでは、図5に示すように、測定を実施したいずれの押し込み時間Δtにおいても、水素を導入すると最大押し込み深さhmaxがわずかに減少し、その結果として水素によりナノ硬さHnがわずかに増加することが分かった。 On the other hand, in SUS316L, as shown in FIG. 5, at any indentation time Δt in which the measurement was performed, when hydrogen was introduced, the maximum indentation depth h max slightly decreased. It was found that H n increased slightly.
図6は、各試料に対して水素導入によるナノ硬さの変化率(増加率)と押し込み時間(歪み速度)との関係を示す図である。図6(a)は純Niの場合を、図6(b)は79Ni−20Crの場合を、図6(c)は69Ni−30Crの場合を、図6(d)は56Ni−43Crの場合を、図6(e)はSUS316Lの場合をそれぞれ示している。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the change rate (increase rate) of nano hardness due to hydrogen introduction and the indentation time (strain rate) for each sample. 6 (a) shows the case of pure Ni, FIG. 6 (b) shows the case of 79Ni-20Cr, FIG. 6 (c) shows the case of 69Ni-30Cr, and FIG. 6 (d) shows the case of 56Ni-43Cr. FIG. 6E shows the case of SUS316L.
図6中、ナノ硬さの変化は、水素導入前の値に対する水素導入後の値の変化率を表しており、正の値は硬化を意味し、負の値は軟化を意味する。押し込み時間がΔt≦1sでのナノ硬さHnの値は、従来法で測定したP−h曲線をO−P法で解析して求め、押し込み時間がΔt≧5sでのナノ硬さHnの値は、R−F法で測定した最大荷重(SUS316LおよびNi−Cr合金は4000μN、純Niは3000μN)での接触剛性Sの値から求めた。 In FIG. 6, the change in nano hardness represents the rate of change of the value after hydrogen introduction relative to the value before hydrogen introduction, a positive value means hardening, and a negative value means softening. The value of the nano hardness H n when the indentation time is Δt ≦ 1 s is obtained by analyzing the Ph curve measured by the conventional method by the OP method, and the nano hardness H n when the indentation time is Δt ≧ 5 s. The value of was obtained from the value of the contact stiffness S at the maximum load (4000 μN for SUS316L and Ni—Cr alloy, 3000 μN for pure Ni) measured by the RF method.
Ni−Cr合金の場合、いずれの合金も歪み速度εdotの低下とともに、水素導入によるナノ硬さ増加の程度が減少した。特に、εdot≦3.3×10-5/sの低歪み速度において、56Ni−43Crが、水素導入によるナノ硬さの変化率がゼロであるのに対し、Ni含有量が高い69Ni−30Cr合金と79Ni−20Cr合金は、水素導入により約10%軟化した。SUS316Lの場合、歪み速度εdotに依らず約10%硬化した。一方、純Niの場合、いずれの歪み速度εdotにおいても、水素導入によるナノ硬さの変化は生じなかった。このように、耐水素脆化性が低い試料ほど、εdot≦3.3×10-5/sの低歪み速度において、水素導入により大きな軟化が生じる傾向があった。 In the case of Ni—Cr alloys, the degree of increase in nano hardness due to the introduction of hydrogen decreased as the strain rate ε dot decreased. In particular, at a low strain rate of ε dot ≦ 3.3 × 10 −5 / s, 56Ni-43Cr has zero change in nanohardness due to hydrogen introduction, whereas 69Ni-30Cr has a high Ni content. The alloy and the 79Ni-20Cr alloy were softened by about 10% by introducing hydrogen. In the case of SUS316L, about 10% was cured regardless of the strain rate ε dot . On the other hand, in the case of pure Ni, no change in nano hardness due to hydrogen introduction occurred at any strain rate ε dot . Thus, samples with lower hydrogen embrittlement resistance tended to cause greater softening due to hydrogen introduction at a low strain rate of ε dot ≦ 3.3 × 10 −5 / s.
<確認試験のまとめ>
上記の確認試験の結果から、次の知見が得られた。
<Summary of confirmation test>
The following findings were obtained from the results of the above confirmation test.
・79Ni−20Cr、69Ni−30Cr、56Ni−43Crの場合、歪み速度の低下とともに、水素導入によるナノ硬さの増加の程度が低下する。特に、79Ni−20Cr、69Ni−30Crについては、歪み速度がεdot≦3.3×10-5/sでは軟化を示す。
・SUS316Lの場合、いずれの歪み速度においても、水素導入により約10%硬化する。
・純Niの場合、いずれの歪み速度においても、水素導入によりナノ硬さの変化は生じない。
・耐水素脆化性が低い試料ほど、εdot≦3.3×10-5/sの低歪み速度において、水素導入により大きな軟化が生じる傾向がある。
In the case of 79Ni-20Cr, 69Ni-30Cr, and 56Ni-43Cr, the degree of increase in nano hardness due to hydrogen introduction decreases as the strain rate decreases. In particular, 79Ni-20Cr and 69Ni-30Cr exhibit softening when the strain rate is ε dot ≦ 3.3 × 10 −5 / s.
In the case of SUS316L, at any strain rate, it is cured by about 10% by introducing hydrogen.
In the case of pure Ni, no change in nanohardness occurs due to hydrogen introduction at any strain rate.
-Samples with lower hydrogen embrittlement resistance tend to cause greater softening due to hydrogen introduction at a low strain rate of ε dot ≦ 3.3 × 10 −5 / s.
このように、EC−NI測定においてR−F法を用いて熱ドリフトを補正することにより、水素環境下で低歪み速度の圧子押し込みが可能な低歪み速度EC−NI(以下、「SSR−EC−NI」ともいう)法が実現されることが分かった。SSR−EC−NI法を用いた測定によれば、Ni−Cr合金、SUS316L、及び純Niへの水素影響の歪み速度εdot依存性を、押し込み時間Δtを180min(εdot=1.1×10-5/sに相当)まで長くして測定することができ、水素脆化が顕在化する低歪み速度で、ミクロ組織への水素の影響を精確に測定することが可能になる。 Thus, by correcting the thermal drift using the RF method in the EC-NI measurement, a low strain rate EC-NI (hereinafter referred to as “SSR-EC”) capable of indentation at a low strain rate in a hydrogen environment. (Also referred to as “-NI”). According to the measurement using the SSR-EC-NI method, the strain rate ε dot dependence of the hydrogen effect on the Ni—Cr alloy, SUS316L, and pure Ni was determined, and the indentation time Δt was 180 min (ε dot = 1.1 × 10 -5 / s)), and the influence of hydrogen on the microstructure can be accurately measured at a low strain rate at which hydrogen embrittlement becomes apparent.
2.SSR−EC−NI試験装置
以下に、本発明の実施形態であるSSR−EC−NI試験装置、及びこのNI試験装置に組み込まれる保持具としての電気化学セルについて、詳述する。
2. SSR-EC-NI Test Apparatus Hereinafter, an SSR-EC-NI test apparatus according to an embodiment of the present invention and an electrochemical cell as a holder incorporated in the NI test apparatus will be described in detail.
図7は、実施形態のNI試験装置の構成を模式的に示す断面図である。図8は、そのNI試験装置に組み込まれる電気化学セルを分解して示す斜視図であり、図9は、その電気化学セルを組み立ててNI試験装置に組み込んだ状態を示す斜視図である。電気化学セル1は、容器部2と、台座部3と、を備える。 FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the NI test apparatus of the embodiment. FIG. 8 is an exploded perspective view showing the electrochemical cell incorporated in the NI test apparatus, and FIG. 9 is a perspective view showing a state where the electrochemical cell is assembled and incorporated in the NI test apparatus. The electrochemical cell 1 includes a container part 2 and a pedestal part 3.
容器部2は、耐薬品性及び絶縁性を有するとともに、剛性が高く、被削性にも優れ、さらに熱伝導率が高い、チッ化アルミニウム(AlN)とチッ化ホウ素(BN)の複合体(以下、「AlN−BN複合体」ともいう)からなり、その中央部に電解液11を保持するために、鉛直方向に沿って貫通する円形穴2aを有する。容器部2の上面の中央部には、電解液11を貯えるための電解液貯溜用凹部2bが形成され、この電解液貯溜用凹部2bは、円形穴2aに連なって大きく拡大している。 The container part 2 is a composite of aluminum nitride (AlN) and boron nitride (BN) that has chemical resistance and insulation, has high rigidity, excellent machinability, and high thermal conductivity ( Hereinafter, it is also referred to as “AlN-BN composite”, and has a circular hole 2 a penetrating along the vertical direction in order to hold the electrolytic solution 11 at the center. An electrolytic solution storage recess 2b for storing the electrolyte solution 11 is formed at the center of the upper surface of the container portion 2, and the electrolytic solution storage recess 2b is greatly enlarged in connection with the circular hole 2a.
また、容器部2の縁には、台座部3との締結で用いられる複数のネジ4を挿入するために、鉛直方向に沿って貫通するネジ挿入穴2cが形成されている。これらのネジ挿入穴2cは、容器部2の上面からネジ4の頭部が突出しないように、そのネジ4の頭部を容器部2内に収納するためのネジ収納用凹部2dが形成されている。さらに、容器部2の上面の縁には、カウンター電極6及び参照電極7それぞれからの配線6a、7aが容器部2の上面から突出しないように、それらの配線6a、7aをそれぞれ収納するための配線収納用溝部2e、2fが形成されている。 In addition, a screw insertion hole 2c that penetrates along the vertical direction is formed on the edge of the container portion 2 in order to insert a plurality of screws 4 used for fastening with the pedestal portion 3. These screw insertion holes 2 c are formed with screw storage recesses 2 d for storing the heads of the screws 4 in the container part 2 so that the heads of the screws 4 do not protrude from the upper surface of the container part 2. Yes. Furthermore, the wiring 6a, 7a from the counter electrode 6 and the reference electrode 7 respectively is accommodated on the edge of the upper surface of the container part 2 so that the wirings 6a, 7a are not projected from the upper surface of the container part 2, respectively. Wiring housing grooves 2e and 2f are formed.
容器部2の電解液貯溜用凹部2bの底には、円形穴2aと同心状にリング状のカウンター電極6が配置される。このカウンター電極6の配線6aは、配線収納用溝部2eを通じて引き出され、その先端の端子6bが、図示しないネジなどによって容器部2の側面に固定される。また、容器部2の円形穴2aには参照電極7が配置される。この参照電極7の配線7aは、配線収納用溝部2fを通じて引き出され、その先端の端子7bが、図示しないネジなどによって容器部2の側面に固定される。カウンター電極6としては、白金や金などを用いることができる。参照電極7としては、白金、金、銀−塩化銀電極などを用いることができる。 A ring-shaped counter electrode 6 is disposed concentrically with the circular hole 2 a at the bottom of the electrolytic solution storage recess 2 b of the container portion 2. The wiring 6a of the counter electrode 6 is drawn out through the wiring housing groove 2e, and the terminal 6b at the tip thereof is fixed to the side surface of the container portion 2 with a screw or the like (not shown). A reference electrode 7 is disposed in the circular hole 2 a of the container part 2. The wiring 7a of the reference electrode 7 is drawn out through the wiring housing groove 2f, and the terminal 7b at the tip thereof is fixed to the side surface of the container portion 2 with a screw or the like (not shown). As the counter electrode 6, platinum, gold, or the like can be used. As the reference electrode 7, a platinum, gold, silver-silver chloride electrode or the like can be used.
台座部3は、容器部2と同じくAlN−BN複合体からなり、その中央部に電極板5を収納するための電極板収納用凹部3aが形成されている。また、台座部3の上面の縁には、容器部2の各ネジ挿入穴2cと対をなすネジ穴3bが形成されている。 The pedestal portion 3 is made of an AlN-BN composite like the container portion 2, and an electrode plate storage recess 3 a for storing the electrode plate 5 is formed at the center thereof. In addition, screw holes 3 b that are paired with the screw insertion holes 2 c of the container portion 2 are formed at the edge of the upper surface of the pedestal portion 3.
台座部3の電極板収納用凹部3aには電極板5が載置される。この電極板5は、電極として機能するために導電性を有することは勿論であるが、熱伝導性も有するものである。電極板5としては、銅が好適である。電極板5が銅からなる場合、その硬さは1/2H以上であることが好ましい。電極板5には、NI測定時に圧子14の押し込みに伴って荷重が負荷されるところ、電極板5が硬さ1/2H以上の銅からなるものであれば、電極板5自身の剛性が十分に確保されるので、圧子14の押し込み負荷に伴って電極板5の変形が生じることはなく、NI測定をより正確に行うことができるからである。 The electrode plate 5 is placed in the electrode plate storage recess 3 a of the pedestal 3. This electrode plate 5 functions as an electrode, and of course has conductivity, but also has thermal conductivity. As the electrode plate 5, copper is suitable. When the electrode plate 5 is made of copper, the hardness is preferably 1 / 2H or more. A load is applied to the electrode plate 5 as the indenter 14 is pushed during NI measurement. If the electrode plate 5 is made of copper having a hardness of 1/2 H or more, the electrode plate 5 itself has sufficient rigidity. This is because the electrode plate 5 is not deformed with the indentation load of the indenter 14 and the NI measurement can be performed more accurately.
台座部3の電極板5の上には試料8が積み重ねられる。また、その電極板5の上には、試料8を囲繞するようにスペーサー9が載置される。このスペーサー9は熱伝導性を有するものである。スペーサー9としては、熱伝導性を有する限りその材質に特に限定はなく、金属、その中でも銅が好適である。 A sample 8 is stacked on the electrode plate 5 of the pedestal 3. A spacer 9 is placed on the electrode plate 5 so as to surround the sample 8. The spacer 9 has thermal conductivity. The spacer 9 is not particularly limited as long as it has thermal conductivity, and a metal, particularly copper, is preferable.
さらに、試料8の上には容器部2が積み重ねられ、この状態でネジ4により台座部3と容器部2とが締結される。これにより、試料8は、台座部3の電極板5と容器部2との間に挟み込まれて電極板5と電気的に一体化され、その表面の一部が容器部2の円形穴2aに開放した状態にされる。ネジ4は熱伝導性を有するものである。ネジ4としては、熱伝導性を有する限りその材質に特に限定はなく、金属、その中でもアルミニウムが好適である。なお、実際には、試料8と容器部2の間には、円形穴2aと同心状にOリング10が配置される。Oリング10によって電解液11の漏出を防止するためである。 Further, the container part 2 is stacked on the sample 8, and the pedestal part 3 and the container part 2 are fastened by the screw 4 in this state. Accordingly, the sample 8 is sandwiched between the electrode plate 5 of the pedestal portion 3 and the container portion 2 and is electrically integrated with the electrode plate 5, and a part of the surface thereof is inserted into the circular hole 2 a of the container portion 2. Opened. The screw 4 has thermal conductivity. The material of the screw 4 is not particularly limited as long as it has thermal conductivity, and a metal, particularly aluminum, is preferable. Actually, an O-ring 10 is disposed between the sample 8 and the container portion 2 concentrically with the circular hole 2a. This is because the O-ring 10 prevents the electrolyte solution 11 from leaking out.
このように組み立てられた電気化学セル1はNI試験装置(例:Hysitron社製TriboIndenter-950)に組み込まれる。具体的には、図示しないNI試験装置の測定テーブル上には温度可変の伝熱台12(図7及び図9参照)が配設されており、この伝熱台12の上に台座部3が固定される。伝熱台12は、熱(冷熱を含む)を発生する装置である。この伝熱台12は、例えば、ペルチェ素子で構成することができ、この場合、−20℃〜+80℃といった室温を下回る低温域から室温を超える高温域の範囲内で温度の調整が可能である。高温域のみの温度調整で足りる場合は、伝熱台12として、コイルヒータを内蔵したものを適用することもできる。もっとも、室温下で測定する際には、伝熱台12は不要であり、電気化学セル1は測定テーブル上に直接固定される。 The electrochemical cell 1 assembled in this manner is incorporated into an NI test apparatus (eg, TriboIndenter-950 manufactured by Hysitron). More specifically, a temperature-variable heat transfer table 12 (see FIGS. 7 and 9) is disposed on a measurement table of an NI test apparatus (not shown), and a pedestal 3 is mounted on the heat transfer table 12. Fixed. The heat transfer table 12 is a device that generates heat (including cold). The heat transfer table 12 can be constituted by, for example, a Peltier element, and in this case, the temperature can be adjusted within a range from a low temperature range below -20 ° C. to + 80 ° C. to a high temperature range above room temperature. . When the temperature adjustment only in the high temperature region is sufficient, the heat transfer table 12 with a built-in coil heater can be applied. However, when measuring at room temperature, the heat transfer table 12 is unnecessary, and the electrochemical cell 1 is directly fixed on the measurement table.
伝熱台12への台座部3の固定は、以下のようにして行える。図9に示すように、伝熱台12には板ばねのクリップ13が設置されている。そして、台座部3はそのクリップ13によって伝熱台12に着脱自在に固定される。 The pedestal 3 can be fixed to the heat transfer table 12 as follows. As shown in FIG. 9, a leaf spring clip 13 is installed on the heat transfer table 12. The pedestal portion 3 is detachably fixed to the heat transfer table 12 by the clip 13.
ここで、電極板5は、その端子5aが外部に突き出しており、その端子5aが電源装置の陰極(−極)に接続される。一方、カウンター電極6及び参照電極7は、それぞれの端子6b、7bが電源装置の陽極(+極)に接続される。 Here, the terminal 5a of the electrode plate 5 protrudes to the outside, and the terminal 5a is connected to the cathode (-electrode) of the power supply device. On the other hand, the counter electrode 6 and the reference electrode 7 have their terminals 6b and 7b connected to the anode (positive electrode) of the power supply device.
NI装置の圧子14は、例えば、先端の曲率半径が約1μmのダイアモンド製球形圧子であり、荷重発生器、及び荷重と変位の検出器であるトランスデューサ24に把持される。ここで、本実施形態のNI装置は、R−F法による測定が行えるように、トランスデューサ24に接続された任意波形発生器22により、圧子14には押し込み荷重Pに、数百Hzの微小な振幅変調を付加することが可能に構成される。すなわち、圧子14は、R−F法を適用したNI測定時には、押し込み方向に沿って微小な振動が与えられながら試料8に押し込まれ、R−F法を適用しないNI測定時には、振動することなく試料8に押し込まれる構成である。圧子14の押し込み荷重Pと押し込み時間Δtは、トランスデューサ24に接続されたコントローラ20によって制御される。押し込み荷重Pおよび圧子14の変位は、トランスデューサ24により検出される。また、試料8の接触剛性は、トランスデューサ24に接続されたロックインアンプ23により検出される。各種の測定の演算は、ロックインアンプ23とトランスデューサ24に接続された演算装置21によって行われる。 The indenter 14 of the NI device is, for example, a diamond spherical indenter having a tip radius of curvature of about 1 μm, and is held by a transducer 24 which is a load generator and a load and displacement detector. Here, the NI apparatus according to the present embodiment has an indentation load P applied to the indenter 14 by an arbitrary waveform generator 22 connected to the transducer 24 so that measurement by the RF method can be performed. Amplitude modulation can be added. That is, the indenter 14 is pushed into the sample 8 while being given a minute vibration along the pushing direction at the time of NI measurement using the RF method, and is not vibrated at the time of NI measurement not applying the RF method. In this configuration, the sample 8 is pushed. The indentation load P and the indentation time Δt of the indenter 14 are controlled by the controller 20 connected to the transducer 24. The indentation load P and the displacement of the indenter 14 are detected by the transducer 24. Further, the contact rigidity of the sample 8 is detected by a lock-in amplifier 23 connected to the transducer 24. Various measurement calculations are performed by the calculation device 21 connected to the lock-in amplifier 23 and the transducer 24.
このようにして電気化学セル1がNI試験装置に組み込まれた状態で、容器部2の円形穴2a及び電解液貯溜用凹部2bに電解液11が満たされる。これにより、カウンター電極6及び参照電極7は電解液11に浸漬される。電解液11は、多少濃度が変化してもpHが大きく変化しないようにした溶液、すなわち水素イオン濃度に関して緩衝作用のある電解液である。電解液11としては、例えば、ホウ酸緩衝液が好適である。 In this manner, the electrolytic solution 11 is filled in the circular hole 2a and the electrolytic solution storage recess 2b of the container portion 2 in a state where the electrochemical cell 1 is incorporated in the NI test apparatus. Thereby, the counter electrode 6 and the reference electrode 7 are immersed in the electrolyte solution 11. The electrolytic solution 11 is a solution in which the pH is not greatly changed even if the concentration is somewhat changed, that is, an electrolytic solution having a buffering effect on the hydrogen ion concentration. As the electrolyte solution 11, for example, a borate buffer solution is suitable.
電気化学セル1において、伝熱台12の温度を低温や高温に調整すれば、伝熱台12の熱(冷熱を含む)が、熱伝導性を有する台座部3及び電極板5を通じて試料8に効率良く伝わると同時に、同じく熱伝導性を有する台座部3、ネジ4及び容器部2を通じて電解液11に効率良く伝わる。その結果として、試料8及び電解液11の温度を短時間で変更し、所望の温度に維持することができる。 In the electrochemical cell 1, if the temperature of the heat transfer table 12 is adjusted to a low temperature or a high temperature, the heat (including cold heat) of the heat transfer table 12 is transferred to the sample 8 through the pedestal 3 having heat conductivity and the electrode plate 5. At the same time, it is efficiently transmitted to the electrolytic solution 11 through the pedestal 3, the screw 4 and the container 2 which also have thermal conductivity. As a result, the temperature of the sample 8 and the electrolytic solution 11 can be changed in a short time and maintained at a desired temperature.
とりわけ、試料8の周囲の空間が、熱伝導性を有するスペーサー9によって埋められているため、試料8及び電解液11への熱伝達がより一層有効にされる。 In particular, since the space around the sample 8 is filled with the spacer 9 having thermal conductivity, heat transfer to the sample 8 and the electrolyte solution 11 is made more effective.
そして、試料8及び電解液11を所望の温度に維持した状態で、電極板5に陰極電流を印加すれば、試料8が電解液11に対し作用電極として機能し、電気化学反応により、電解液11中の水素イオンが試料8の表面に集積し、試料8に水素がチャージされる。NI測定では、試料8及び電解液11を所望の温度に維持しつつ、電極板5に陰極電流を印加しながら圧子14を試料8の表面に押し込むことにより、所望の温度の試料8に水素を導入しながら「その場」でナノ硬さHn及び弾性率Erを測定することができる。 If a cathode current is applied to the electrode plate 5 while maintaining the sample 8 and the electrolytic solution 11 at a desired temperature, the sample 8 functions as a working electrode with respect to the electrolytic solution 11, and the electrolytic solution undergoes an electrochemical reaction. 11 accumulates on the surface of the sample 8, and the sample 8 is charged with hydrogen. In the NI measurement, while maintaining the sample 8 and the electrolytic solution 11 at a desired temperature, the indenter 14 is pushed into the surface of the sample 8 while applying a cathode current to the electrode plate 5, thereby supplying hydrogen to the sample 8 at the desired temperature. While being introduced, the nano hardness H n and elastic modulus Er can be measured “in situ”.
具体的には、先ず、試料8の弾性率Erを把握するために、R−F法を適用しないでEC−NI測定を行う。このときの押し込み時間Δtは、熱ドリフトが無視できる短い時間であり、例えば、0.1s〜30sの範囲内である。0.1sよりも短い押し込み時間は装置の能力上で難しく、逆に30sよりも長い押し込み時間では、熱ドリフトが影響し再現性の高いデータが得られないからである。より好ましくは、1s〜10sの範囲内であり、実用的には、5sが好ましい。R−F法を適用しないEC−NI測定では、上述の通り、試料8の表面に圧子14を振動させずに押し込み、その際の圧子14の変位量から求まる押し込み深さhと、押し込み荷重Pを逐次取得する。この押し込み荷重Pと押し込み深さhとの関係からO−P法を用いた解析より、弾性率Erを導出する。 Specifically, first, in order to grasp the elastic modulus Er of the sample 8, EC-NI measurement is performed without applying the RF method. The pushing time Δt at this time is a short time in which the thermal drift can be ignored, and is within a range of 0.1 s to 30 s, for example. This is because an indentation time shorter than 0.1 s is difficult in terms of the capability of the apparatus, and conversely, an indentation time longer than 30 s affects the thermal drift and cannot provide highly reproducible data. More preferably, it is in the range of 1 s to 10 s, and 5 s is practically preferable. In the EC-NI measurement without applying the RF method, as described above, the indenter 14 is pushed into the surface of the sample 8 without vibrating, and the indentation depth h determined from the displacement of the indenter 14 at that time and the indentation load P Are acquired sequentially. From the relationship between the indentation load P and the indentation depth h, the elastic modulus Er is derived from the analysis using the OP method.
続いて、試料8のナノ硬さHnに関し、水素脆化が顕在化する低歪み速度で水素の影響を測定するため、R−F法を適用してEC−NI測定を行う。このときの押し込み時間Δtは、低歪み速度を実現するために長時間とし、60min以上も可能である。R−F法を適用したEC−NI測定では、上述の通り、試料8に圧子14を押し込む際、任意波形発生器22により押し込み荷重Pに数百Hzの微小な振幅変調を付加し、接触剛性Sをロックインアンプ23により検出することにより、押し込み荷重Pと接触剛性Sを逐次取得する。更に、逐次取得した押し込み荷重P及び接触剛性S、並びに既知の弾性率Erを用い、上記(3)式により、圧子押し込み中の任意の荷重における圧痕投影面積Acと接触深さhcを求める。そして、上記(2)式により、圧痕投影面積Acからナノ硬さHnが得られる。要するに、R−F法を適用したEC−NI測定では、熱ドリフトを補正することができ、これにより、水素脆化が顕在化する低歪み速度で水素の影響を含むナノ硬さHnを精確に測定することが可能になる。 Subsequently, regarding the nano hardness H n of the sample 8, in order to measure the influence of hydrogen at a low strain rate at which hydrogen embrittlement becomes obvious, EC-NI measurement is performed by applying the RF method. The indentation time Δt at this time is a long time to realize a low strain rate, and can be 60 min or more. In the EC-NI measurement using the RF method, as described above, when the indenter 14 is pushed into the sample 8, a minute amplitude modulation of several hundred Hz is added to the pushing load P by the arbitrary waveform generator 22, and the contact rigidity is obtained. By detecting S by the lock-in amplifier 23, the indentation load P and the contact rigidity S are sequentially acquired. Further, the indentation projection area A c and the contact depth h c at an arbitrary load during the indenter indentation are calculated by the above equation (3) using the indentation load P and the contact stiffness S acquired sequentially and the known elastic modulus Er. Ask. Then, the nano hardness H n is obtained from the indentation projection area A c by the above equation (2). In short, in EC-NI measurement using the R-F method, the thermal drift can be corrected, and thereby the nano hardness H n including the influence of hydrogen can be accurately determined at a low strain rate at which hydrogen embrittlement becomes apparent. It becomes possible to measure.
R−F法を適用したEC−NI測定の際、押し込み荷重Pに付加する振幅変調は、実用的には正弦波の振幅変調である。但し、矩形波の振幅変調であっても、三角波の振幅変調であってもよい。その変調の周波数は、10〜300Hzの範囲内である。周波数があまりに低いと、熱ドリフトが影響し再現性の高いデータが得られないからである。一方、あまりに高い周波数は、装置の能力上で難しいからである。より好ましくは、100〜200Hzの範囲内であり、実用的には、200Hzが好ましい。 In the EC-NI measurement using the R-F method, the amplitude modulation added to the indentation load P is practically a sinusoidal amplitude modulation. However, it may be rectangular wave amplitude modulation or triangular wave amplitude modulation. The frequency of the modulation is in the range of 10 to 300 Hz. This is because if the frequency is too low, thermal drift affects and data with high reproducibility cannot be obtained. On the other hand, too high a frequency is difficult due to the capability of the apparatus. More preferably, it is in the range of 100 to 200 Hz, and practically 200 Hz is preferable.
また、R−F法を適用したEC−NI測定の際、押し込み荷重Pに付加する振幅変調の荷重振幅は、押し込み荷重Pの値の1〜10%の範囲内とする。あまりに小さい荷重振幅ではロックインアンプにより接触剛性を検出できないからである。一方、荷重振幅があまりに大きいと、押し込み荷重の精度が悪化するからである。実用的には、1〜3%の範囲内が好ましい。 In addition, when performing EC-NI measurement using the R-F method, the load amplitude of the amplitude modulation added to the indentation load P is in the range of 1 to 10% of the value of the indentation load P. This is because the contact stiffness cannot be detected by the lock-in amplifier when the load amplitude is too small. On the other hand, if the load amplitude is too large, the accuracy of the indentation load deteriorates. Practically, the range of 1 to 3% is preferable.
なお、本実施形態の電気化学セル1は、NI測定時に圧子14の押し込みに伴って台座部3に荷重が負荷されるが、台座部3が剛性の高いAlN−BN複合体からなるため、圧子14の押し込み負荷に伴って台座部3の変形が生じることはなく、NI測定を正確に行うことができる。しかも、容器部2及び台座部3は、被削性に優れるAlN−BN複合体からなるので、複雑な形状でも成形することができる。 In the electrochemical cell 1 of the present embodiment, a load is applied to the pedestal portion 3 as the indenter 14 is pushed during the NI measurement. However, since the pedestal portion 3 is made of a highly rigid AlN-BN composite, The pedestal 3 is not deformed with the pushing load of 14, and the NI measurement can be performed accurately. Moreover, since the container part 2 and the pedestal part 3 are made of an AlN-BN composite having excellent machinability, they can be molded even in complicated shapes.
また、本実施形態の電気化学セル1は、容器部2の円形穴2aと電解液貯溜用凹部2bによって大量の電解液11を保持することができる。これにより、次の効果が得られる。低歪み速度で水素チャージをしながらのNI測定は、長時間になる。そうすると、NI測定中に電解液11が次第に蒸発して減少する。この点、本実施形態の電気化学セル1では、電解液11の初期量が大量であるので、NI測定中の電解液11の減少を許容することが可能となり、長時間にわたるNI測定であっても十分対応することができる。 Moreover, the electrochemical cell 1 of this embodiment can hold | maintain a lot of electrolyte solution 11 with the circular hole 2a of the container part 2, and the recessed part 2b for electrolyte solution storage. Thereby, the following effect is acquired. NI measurement while charging hydrogen at a low strain rate takes a long time. Then, the electrolyte solution 11 gradually evaporates and decreases during NI measurement. In this regard, in the electrochemical cell 1 of the present embodiment, since the initial amount of the electrolyte solution 11 is large, it is possible to allow a decrease in the electrolyte solution 11 during the NI measurement, and the NI measurement over a long time. Can also respond sufficiently.
しかも、台座部3に電極板収納用凹部3aが形成されているので、電解液11が仮にOリング10から漏れても、その電解液が電極板収納用凹部3aに溜まり、外部に漏出することはない。これにより、次の効果が得られる。電気化学セル1の下には、伝熱台12のように高電圧の装置が配備されているので、ここに電解液11がかかる事態が生じると電気短絡の危険がある。この点、本実施形態の電気化学セル1は、電解液11の外部への漏出がないため、安全性に優れる。 Moreover, since the electrode plate storage recess 3a is formed in the pedestal portion 3, even if the electrolyte 11 leaks from the O-ring 10, the electrolyte accumulates in the electrode plate storage recess 3a and leaks to the outside. There is no. Thereby, the following effect is acquired. Under the electrochemical cell 1, a high-voltage device such as a heat transfer table 12 is provided, and there is a danger of an electrical short circuit if the electrolyte solution 11 is applied here. In this regard, the electrochemical cell 1 of the present embodiment is excellent in safety because there is no leakage of the electrolyte solution 11 to the outside.
また、本実施形態の電気化学セル1では、容器部2と台座部3とを締結するためのネジ4の頭部がネジ収納用凹部2dに収納されるので、そのネジ4の頭部が容器部2の上面から突出しない。同様に、カウンター電極6及び参照電極7それぞれからの配線6a、7aが配線収納用溝部2e、2fに収納されるので、それらの配線6a、7aが容器部2の上面から突出しない。これにより、次の効果が得られる。NI測定用の圧子14の長さは、測定精度を確保するために短い。そうすると、NI測定中に圧子14の押し込みに伴って、圧子14を把持するヘッドが容器部2の上面に接近する。この点、本実施形態の電気化学セル1では、ネジ4の頭部や各電極6、7からの配線6a、7aが、容器部2の上面から突出しないので、それらと圧子14を把持するヘッドとの干渉を防止することができる。 Moreover, in the electrochemical cell 1 of this embodiment, since the head of the screw 4 for fastening the container part 2 and the base part 3 is accommodated in the screw accommodating recess 2d, the head of the screw 4 is the container. It does not protrude from the upper surface of the part 2. Similarly, since the wirings 6 a and 7 a from the counter electrode 6 and the reference electrode 7 are stored in the wiring storage grooves 2 e and 2 f, the wirings 6 a and 7 a do not protrude from the upper surface of the container portion 2. Thereby, the following effect is acquired. The length of the indenter 14 for NI measurement is short to ensure measurement accuracy. Then, as the indenter 14 is pushed during NI measurement, the head that holds the indenter 14 approaches the upper surface of the container unit 2. In this respect, in the electrochemical cell 1 of this embodiment, the heads of the screws 4 and the wires 6a and 7a from the electrodes 6 and 7 do not protrude from the upper surface of the container part 2, so that the head for gripping them and the indenter 14 is used. Can be prevented.
その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、容器部2の側面に、電解液貯溜用凹部2bまで貫通するように、電解液注入用ポート及び電解液排出用ポートを設けても構わない。これにより、電解液注入用ポートを通じて電解液貯溜用凹部2bに電解液11を注入したり、電解液排出用ポートを通じて電解液貯溜用凹部2bから電解液11を排出することが可能になるため、電解液11の注入、排出を適時行え、長時間にわたるNI測定への対応に有用である。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, an electrolyte solution injection port and an electrolyte solution discharge port may be provided on the side surface of the container portion 2 so as to penetrate to the electrolyte solution storage recess 2b. As a result, the electrolyte solution 11 can be injected into the electrolyte storage recess 2b through the electrolyte injection port, or the electrolyte solution 11 can be discharged from the electrolyte storage recess 2b through the electrolyte discharge port. The electrolyte solution 11 can be injected and discharged in a timely manner, and is useful for dealing with NI measurement over a long period of time.
もっとも、本実施形態のNI試験装置に組み込まれる電気化学セルは、R−F法の適用が可能である限り、前記非特許文献1、2に提案されるものであっても構わない。 However, the electrochemical cell incorporated in the NI test apparatus of the present embodiment may be one proposed in Non-Patent Documents 1 and 2 as long as the R-F method can be applied.
本発明のEC−NI試験装置は、試料を保持し、この試料の表面に電気化学的に水素を導入する電気化学セルと、水素が導入されている過程で試料の表面に押し込まれる圧子と、圧子の押し込み荷重及び押し込み時間を制御するコントローラと、荷重発生器、及び押し込み荷重と圧子の変位の検出器であるトランスデューサと、押し込み荷重に振幅変調を付加する任意波形発生器と、接触剛性を検出するロックインアンプと、試料のナノ硬さを算出する演算装置と、を備えるので、上述の通り、水素脆化が顕在化する低歪み速度で水素の影響を含むナノ硬さを精確に測定することが可能になる。 The EC-NI test apparatus of the present invention holds a sample, electrochemical cells for electrochemically introducing hydrogen into the surface of the sample, an indenter that is pushed into the surface of the sample in the process of introducing hydrogen, Controller for controlling indenter indentation load and indentation time, load generator, transducer for detecting indentation load and displacement of indenter, arbitrary waveform generator for adding amplitude modulation to indentation load, and contact stiffness detection A lock-in amplifier and an arithmetic unit that calculates the nano hardness of the sample, as described above, accurately measures the nano hardness including the influence of hydrogen at a low strain rate at which hydrogen embrittlement becomes apparent. It becomes possible.
また、本発明のEC−NI試験方法は、試料の表面に電気化学的に水素を導入しながら、試料の表面に圧子を押し込む際に、任意波形発生器により圧子の押し込み荷重に振幅変調を付加し、発生した圧子の変位の振幅変調から、ロックインアンプにより接触剛性を検出し、押し込み荷重と接触剛性を逐次取得して、ナノ硬さを算出する構成であるので、上述の通り、水素脆化が顕在化する低歪み速度で水素の影響を含むナノ硬さを精確に測定することが可能になる。 In addition, the EC-NI test method of the present invention adds amplitude modulation to the indentation load by an arbitrary waveform generator when pushing the indenter into the sample surface while electrochemically introducing hydrogen into the sample surface. Since the configuration is such that the contact stiffness is detected by a lock-in amplifier from the amplitude modulation of the generated displacement of the indenter, the indentation load and the contact stiffness are sequentially obtained, and the nano hardness is calculated. It becomes possible to accurately measure the nanohardness including the influence of hydrogen at a low strain rate where the conversion becomes obvious.
本発明のEC−NI試験装置及びその試験方法は、水素脆化のメカニズムを解明するために有効に利用できる。 The EC-NI test apparatus and test method of the present invention can be effectively used to elucidate the mechanism of hydrogen embrittlement.
1:電気化学セル、 2:容器部、 2a:円形穴、
2b:電解液貯溜用凹部、 2c:ネジ挿入穴、 2d:ネジ収納用凹部、
2e、2f:配線収納用溝部、
3:台座部、 3a:電極板収納用凹部、 3b:ネジ穴、
4:ネジ、 5:電極板、 5a:電極板の端子、
6:カウンター電極、 6a:配線、 6b:端子、
7:参照電極、 7a:配線、 7b:端子、
8:試料、 9:スペーサー、 10:Oリング、 11:電解液、
12:伝熱台、 13:クリップ、 14:圧子、
20:コントローラ、 21:演算装置、 22:任意波形発生器、
23:ロックインアンプ、 24:トランスデューサ
1: electrochemical cell, 2: container part, 2a: circular hole,
2b: concave portion for storing electrolyte, 2c: screw insertion hole, 2d: concave portion for storing screw,
2e, 2f: groove part for wiring storage,
3: pedestal, 3a: recess for storing electrode plate, 3b: screw hole,
4: Screw, 5: Electrode plate, 5a: Terminal of electrode plate,
6: counter electrode, 6a: wiring, 6b: terminal,
7: Reference electrode, 7a: Wiring, 7b: Terminal,
8: Sample, 9: Spacer, 10: O-ring, 11: Electrolytic solution,
12: Heat transfer table, 13: Clip, 14: Indenter,
20: Controller, 21: Arithmetic unit, 22: Arbitrary waveform generator,
23: Lock-in amplifier, 24: Transducer
Claims (1)
試料の表面に電気化学的に水素を導入しながら、前記試料の前記表面に圧子を押し込む際に、任意波形発生器により前記圧子の押し込み荷重に振幅変調を付加し、発生した圧子の変位から、ロックインアンプにより接触剛性を検出して、逐次取得された押し込み荷重と接触剛性からナノ硬さを算出し、
前記圧子の押し込み時間を60分以上とし、前記振幅変調の周波数を10〜300Hzの範囲内とする、電気化学ナノインデンテーション試験方法。
An electrochemical nanoindentation test method,
When introducing an indenter into the surface of the sample while electrochemically introducing hydrogen to the surface of the sample, an amplitude modulation is added to the indentation load of the indenter by an arbitrary waveform generator, and from the generated displacement of the indenter, The contact stiffness is detected by a lock-in amplifier, and the nano hardness is calculated from the indentation load and contact stiffness acquired sequentially.
An electrochemical nanoindentation test method in which the indentation time is 60 minutes or more and the frequency of the amplitude modulation is in a range of 10 to 300 Hz.
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