眾所周知，氫會使高強度鋼變脆，削弱其耐腐蝕性。緩解氫脆的最具吸引力的方法之一是利用納米沉淀物(廣泛用于強化)來捕獲和擴散在材料脆弱部位富集的氫。然而，捕獲氫的原子來源仍然是難以捉摸的，特別是在非共格的納米沉淀物中。

在此，北京科技大學喬利杰教授團隊和南京理工大學陳光院士團隊，通過結合原位掃描開爾文探針力顯微鏡和像差校正透射電子顯微鏡，揭示了高強度低合金馬氏體鋼中氫-析出相相互作用的不同場景。相關論文以題為“Atomic-scale insights on hydrogen trapping and exclusion at incoherent interfaces of nanoprecipitates in martensitic steels”發表在Nature Communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31665-x

零二氧化碳排放的承諾引發了對清潔氫的日益增長的需求，以減少化石燃料的使用。然而，氫對金屬材料的力學性能造成不利影響，即俗稱的氫脆(HE)，它危及結構材料的安全運行，如節能汽車和儲氫罐中的高強度合金。一般來說，氫脆敏感性隨材料強度的增加而增加，這是高強度合金開發和實際應用的一個主要問題。干預和緩解HE的最具吸引力的方法之一是使用納米沉淀物，它在強化和增韌材料方面表現出了巨大的效力，從而捕獲和擴散在材料中脆弱位置富集的氫原子。

一般認為，氫可以通過空位、特定界面結構、失配應變和/或螺紋位錯，在合金納米顆粒內部和/或其與基體的界面附近被捕獲。然而，相對于共格和半共格界面而言，非共格納米沉淀物可能為氫提供更深的陷阱，它們是否能捕獲氫仍然存在爭議。熱解吸光譜(TDS)結果表明，當氫在室溫下帶電時，鋼中的非共格析出物TiC、NbC和VC不能捕獲氫。相反，原子探針斷層掃描(APT)結果充分揭示了氘在NbC和馬氏體基體的非相干界面處的偏析。根據析出相/基體的相互取向，非相干界面的結構本質上是不同的，可能導致不同的氫捕獲行為。因此，TDS等集合平均方法，不足以揭示單個沉淀的氫捕獲特性，更不用說關鍵的潛在機制了。另一方面，雖然APT可以成像氫的空間分布，但它必須破壞樣品，阻礙對捕獲位點的進一步表征。

在此，研究者通過使用非破壞性的掃描開爾文探針力顯微鏡(SKPFM)來檢測氫，前所未有地，在原位揭示了高強度低合金鋼中單個不連貫的納米沉淀物的氫捕獲行為。研究發現，并不是所有的非相干界面，都能捕獲通過電化學充電引入的氫；有些甚至可能排除氫。界面的原子尺度結構和化學特征表明，析出相表面的碳/硫空位和基體附近的拉伸應變場，可能決定了界面的氫捕獲特征。這些發現，可能為更好地沉淀強化策略與氫不敏感設計提供了基本的見解。（文：水生）

圖1 馬氏體基體中析出相的原子力顯微鏡(AFM)圖和實驗過程的示意圖。

圖2 原位掃描開爾文探針力顯微鏡(SKPFM)測量氫-沉淀相互作用。

圖3 析出相的提升和掃描透射電鏡能量分散X射線能譜(STEM-EDS)分析。

圖4 析出相及析出相/基體界面的結構。

圖5 電子能損失譜(EELS)分析了析出相內部及與馬氏體基體界面的Ti L2,3核損失邊分析。

圖6 原子應變分布在析出相邊界附近。