【引言】

氫氣環境下金屬材料會出現力學性能的嚴重退化，這種現象被稱為氫脆，是氫能產業發展面臨的巨大挑戰之一。為了深入理解氫脆的機理，通過原位環境透射電子顯微鏡觀察和力學性能測試，大量的研究已經總結出了氫對離散位錯行為的影響機制。然而，人們對氫對位錯的集群行為（位錯組態）的影響知之甚少，在較高應變水平下發生的位錯組織結構的演化過程，以及這些最終如何導致氫致開裂還是個未解之謎。

想要理解裂紋尖端的變形過程與宏觀參數（例如應力強度因子范圍）之間的關系，需要了解裂紋前的演化微觀結構狀態。過去的研究往往通過滑移痕跡、表面破壞的形態、DIC以及使用背散射電子衍射等技術分析晶體取向來評估裂紋擴展時的變形過程。這些分析往往假定在表面上觀察到的變形總可以反應內部塑性變形的全部特征。

氫對裂紋前端塑性變形的影響的研究就是這樣的一個典型例子。氫對疲勞裂紋的擴展有促進作用，但是內在機理現在還缺乏共識。既有研究通過觀察裂紋前端滑移痕跡的間距、數量和影響范圍等，直觀地認為氫的存在減小了裂紋前端塑性區的大小。但是，最近的電鏡研究證明了高應變水平下位錯組織的復雜性，特別是距裂紋尖端幾微米內的位錯組織特征無法與表面滑移痕跡的形態一一對應（Shuai Wang et al. Scripta Materialia 166, 102–106, 2019）。這就使得通過表面表征數據評估整體塑性的結果需要謹慎解釋。理解氫與材料的相互作用不僅可以促進相關學科的進步，也對氫能源產業的進步有重要的意義。因此，有必要對距離裂紋尖端不同距離的位錯形態進行觀察和評價，通過聯系微觀組織變化和宏觀力學行為，分析氫對裂紋前端應力狀態的演化，獲得氫促進疲勞裂紋擴展的機理。

【成果簡介】

近日，南方科技大學王帥教授課題組通過聚焦離子束加工和晶帶軸明場成像技術（zone-axis diffraction contrast STEM）在掃描透射電鏡下對空氣和高壓氫氣環境下（40MPa）相同應力強度因子范圍的低碳鋼疲勞裂紋尖端附近的位錯組織進行了觀察，并對其種類、形態和特征尺寸進行了定性和定量分析。發現在空氣中疲勞裂紋尖端位錯組織以拉長的位錯胞狀組織和迷宮狀組織的形式存在，位錯組織化行為在距離裂紋~56?m出開始消失。而氫氣環境中位錯胞狀組織更小并多為等軸形狀，位錯組織的存在范圍延伸到~104?m。通過位錯組織特征尺寸評估了裂紋尖端的流變應力分布狀態，結合電鏡觀察結果，第一次從位錯的角度證明了在氫氣中的疲勞裂紋尖端具有更高的流變應力和范圍更廣的強塑性區。通過使用不同環境下材料的屈服強度歸一化流變應力，發現在空氣和氫氣中應力分布都與ln（1/x）（x為到裂紋尖端的距離）呈線性關系，且二者斜率相近。這些結果表明氫氣環境中裂紋尖端的位錯組織演化過程可能與空氣中的演化過程相近，但是氫環境下整個位錯演化過程都被促進了。

該研究除了從位錯角度闡明了氫對裂紋尖端應力分布的影響，另一個值得注意的貢獻就是對于不同環境中疲勞裂紋尖端應力分布與距離ln（1/x）的線性關系的證實。雖然這一關系已經被基于塑性的連續介質理論模型預測，但是還是第一次被基于位錯的觀察證明。研究結果不僅對氫脆機理的研究有重大意義，也對發展連續介質模型預測材料的軟化和硬化的理論體系具有一定的參考價值。該成果以題為“Assessment of The Impact of Hydrogen on The Stress Developed ahead of A Fatigue Crack”發表在Acta Materialia上，南方科技大學為通訊作者單位。

【圖文導讀】

Figure 1.在SEM圖像中可以看到裂縫路徑的相似和不同（版權歸Elsevier所有）

（a,b）。在空氣和氫氣中形成的裂紋路徑（c,d）。使用聚焦離子束加工，在空氣中和氫氣中測試的樣品裂紋前端取樣的位置。

Figure 2.在沒有氫的情況下裂紋尖端前面的位錯組織（版權歸Elsevier所有）

（a）在空氣中距離裂紋尖端~10µm；（b）在空氣中距離裂紋尖端~33?m；（c）在空氣中距離裂紋尖端~56µm；（d）在空氣中距離裂紋尖端~35µm并于裂紋路徑呈38º角；

Figure 3.在存在氫的情況下裂紋尖端前的位錯組織（版權歸Elsevier所有）

（a）氫氣中距離裂紋尖端~11µm；（b）氫氣中距離裂紋尖端~31µm；（c）氫氣中距離裂紋尖端~52µm；（d）氫氣中距離裂紋尖端~81µm；（e）氫氣中距離裂紋尖端~104µm；（f）（a）中虛線框內的晶體學取向分布圖，通過ASTAR透射衍射圖樣分析獲得。

Figure 4.在高壓氫氣中測試的樣品中提取的分支裂紋前端位錯組織（版權歸Elsevier所有）

（a）。在分支裂紋尖端之前約30μm（b）。與（a）中分支裂紋的距離相同，但聚焦離子束加工提取樣品位置與（a）有45°的夾角

Figure5.氫誘導加速裂紋擴展速率（版權歸Elsevier所有）

（a）。通過使用空氣中和氫氣環境中裂紋尖端前的位錯組織單元的特征尺寸來計算流變應力（b）。歸一化流變應力與裂紋尖端歸一化距離之間的關系

【小結】

在這個研究中，作者對在空氣中和在40MPa高壓氣態氫環境下循環加載的低碳鋼中產生的微觀組織作為到平面應變狀態下的裂紋尖端的距離的函數進行了比較。氫的存在導致形成更小且更等軸的位錯胞狀組織，其從裂紋尖端塑性區延伸得比在空氣中產生的更遠。氫對集群位錯組織演化的促進和擴展作用與其改變離散位錯的增殖速率、遷移率以及促進位錯間相互作用的效應是一致的。對裂紋尖端之前的位錯組織的定性評估發現裂紋尖端前方的應力線性變化為ln（1/x），其中x是裂紋尖端的距離，與測試環境無關。氫氣導致裂紋尖端應力分布向更高的應力水平的轉變，意味著裂紋擴展的臨界損傷水平將更快地實現，同時伴隨著裂紋擴展速率的增加。

文獻鏈接：Assessment of The Impact of Hydrogen on The Stress Developed ahead of A Fatigue Crack（Acta Materialia, 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.05.028）本文觀察的位錯組織處于平面應變狀態的裂紋尖端前，對于平面應力狀態的裂紋尖端位錯組織，讀者請移步王帥團隊最近發表的另一篇文章，該工作明確的說明了表面滑移痕跡與位錯演化的非相關性：

Wang, S., Nygren, K. E., Nagao, A., Sofronis, P. & Robertson, I. M. On the failure of surface damage to assess the hydrogen-enhanced deformation ahead of crack tip in a cyclically loaded austenitic stainless steel. Scripta Materialia 166, 102–106 （2019）。

王帥2018年加入南方科技大學機械與能源工程系。2013年在北海道大學獲得博士學位，同年留校任技術輔助員。 2014-2015年在日本國際碳中和能源研究中心（I2CNER）任博士后研究員，2015-2018年在美國威斯康辛大學麥迪遜分校任副研究員。曾作為主要負責人主持和參與日本文部省WPI， 美國國家科學基金，美國能源部，等多項與新能源材料在嚴苛環境下缺陷行為和力學性能的關鍵前沿研究項目。擔任Current Opinion in Solid State & Materials Science， International Journal of Hydrogen Energy，Metallurgical and Materials Transactions A/B，Computational Materials Science，等多個國際著名期刊的審稿人。 參與編撰普通高等教育“十一五”國家級規劃教材一本。目前在國際著名學術期刊發表論文20余篇，其中有6篇以第一作者及通訊作者發表在金屬材料領域頂級期刊Acta Materialia。

課題組主要研究方向是材料的跨尺度力學行為，通過透射電鏡學及原子模擬關聯納微尺度位錯組織和力學性能變化，完善材料在不同服役條件和環境下的性能調控和安全預測模型，并充分利用理論分析的優勢，利用“bottom-up”方法論研發具有裂紋治愈、負泊松比、超彈性、耐高溫、抗環境失效等特種功能的新型材料。在學生和博士后培養方面，課題組注重親自動手做電鏡能力的培養，并積極為學生提供日本九州大學， 北海道大學， 美國University of Wisconsin-Madison， University of Illinois at Urbana-Champaign等國際知名學府的交流學習機會，歡迎感興趣的同學和博士后加入！

代表文章：

1. Shuai Wang*, Akihide Nagao, Petros Sofronis, and Ian M. Robertson*; Hydrogen-modified dislocation structures in a cyclically deformed ferritic-pearlitic low carbon steel; Acta Materialia; 144,164-176; 2018

2. Shuai Wang*, Akihide Nagao, Kaveh Edalati, Zenji Horita, and Ian M. Robertson*; Influence of hydrogen on dislocation self-organization in Ni; Acta Materialia; 135, 96–102; 2017

3. Shuai Wang, May L. Martin, Ian M. Robertson*, and Petros Sofronis;Effect of hydrogen environment on the separation of Fe grain boundaries; Acta Materialia; 107, 279–288; 2016

4. Shuai Wang, May L. Martin, Petros Sofronis, Somei Ohnuki, Naoyuki Hashimoto, and Ian M. Robertson*; Hydrogen-induced intergranular failure of iron; Acta Materialia; 69, 275282; 2014