近日,《Nature Communications》以“Atomic-scale insights on hydrogen trapping and exclusion at incoherent interfaces of nanoprecipitates in martensitic steels”為題在線發表了我校材料基因工程高精尖創新中心喬利杰教授團隊和南京理工大學材料科學與工程學院/格萊特研究院陳光院士團隊的最新合作成果。該研究發現并非所有的納米析出相都能捕獲氫,析出相與基體界面上的碳/硫空位和彈性拉應變場可能決定了界面的氫捕獲行為。該成果為探究納米尺度特征的氫捕獲行為和微觀機理提供了一種有效的實驗方法,為利用納米相析出相兼得強化和抗氫效果奠定了一定基礎。
氫原子是半徑最小的原子之一,很容易滲入材料中,使材料在低于其屈服強度或塑性變形能力的情況下發生脆性斷裂,極大危害材料的服役安全。一般來說,材料強度越高對氫越敏感,因此高強鋼研發和服役過程中需要關注“氫脆”問題。前期研究表明,彌散分布在金屬材料基體中的納米析出相除了能強化材料外,也可能捕獲氫,進而減少材料中可擴散氫的含量,起到提升材料抗氫能力的效果。然而,納米析出相捕獲氫的微觀機理目前仍缺乏明確的實驗證據;另外,對于非共格納米析出相,由于其與基體的非共格界面結構多樣且復雜,對氫的捕獲行為和機制也存在爭議。
本研究通過掃描開爾文探針力顯微鏡(SKPFM)首次原位探測了單個非共格納米析出相界面捕獲氫原子的行為(如圖1-2)。結果表明,不是所有的析出相都有助于抗氫脆,有些非共格界面捕獲氫原子,而有些非共格界面排斥氫原子。
圖1. 馬氏體鋼中納米析出相的原子力顯微鏡形貌圖和掃描開爾文探針力顯微鏡實驗過程示意圖
注:納米相周圍的暗環和亮環分別表明了其捕獲氫和排斥氫的行為
圖2. 原位掃描開爾文探針力顯微鏡照片揭示了不同納米析出顆粒迥異的氫捕獲行為
進一步,通過球差校正掃描透射電子顯微鏡表征了上述不同行為特征對應的界面原子尺度結構和化學特征(如圖3-4),表明具有氫捕獲特征的納米析出相表面存在碳/硫空位,且界面近鄰基體存在彈性拉應變場;相反的,具有排斥氫特征的納米析出相表面沒有明顯的碳/硫空位,且界面臨近基體存在彈性壓應變場。因此,碳/硫空位和彈性拉應變很可能是非共格界面捕獲氫原子行為的關鍵要素。
圖3. 納米析出相結構、與基體的相對取向和界面模型
圖4. 納米相內部和界面處電子能量損失譜分析和界面附近的原子級應變分布
上述認識為更好的利用納米相析出相兼得強化和抗氫效果,為開發高強“抗氫”鋼提供了基礎指導。由于固溶氫原子的直接成像較為困難,該研究為探究納米尺度特征的氫捕獲行為并同位剖析其微觀機理提供了一種有效的實驗方法,為材料-氫交互作用的原子機理研究提供了新途徑。本工作得到了國家自然科學基金(U1706221, 52071022, 51571117, 52171002)的大力支持。
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