氫脆(HE)的一個(gè)關(guān)鍵特征是在氫在作用下從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;脆性”斷裂。對(duì)于多晶材料，這種轉(zhuǎn)變通常歸因于在大量非原位實(shí)驗(yàn)中氫誘導(dǎo)的微觀尺度上的穿晶斷裂到晶間斷裂。有研究表明晶界(GB)在HE中起著重要作用，氫-GB相互作用是理解穿晶斷裂向晶間斷裂轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)變過程可能涉及幾種重要的HE機(jī)制的協(xié)同作用。三種廣泛接受的機(jī)制是氫增強(qiáng)局部塑性(HELP)、氫增強(qiáng)脫聚(HEDE)和氫增強(qiáng)應(yīng)變誘導(dǎo)空位形成(HESIV)，HELP的理論基于增強(qiáng)的位錯(cuò)遷移率和氫脆化樣品斷裂面下方的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演變。

然而，對(duì)于這種局部延展性行為如何導(dǎo)致最終的“脆性”斷裂的理解仍然存在很大差距。HEDE假設(shè)局部裂紋尖端的H可能導(dǎo)致金屬鍵的減弱進(jìn)而斷裂，但它不能解釋增加的塑性。HESIV假設(shè)塑性變形過程中產(chǎn)生的空位通過形成H-空位而穩(wěn)定，這將進(jìn)一步與位錯(cuò)相互作用。然而，這些穩(wěn)定的空位與脆化之間的聯(lián)系仍然無(wú)法解釋。所有這些機(jī)制在GB上都是可能的，但是斷裂模式的轉(zhuǎn)變過程(尤其是初始裂紋的轉(zhuǎn)變)尚未通過原位實(shí)驗(yàn)或模擬直接證明，多種機(jī)制的驗(yàn)證是氫脆研究中的重要問題之一。

挪威科技大學(xué)的研究人員通過對(duì)具有∑5(210)[001]晶界的雙晶Ni進(jìn)行單軸應(yīng)變，建立原子模型闡明了由氫影響的穿晶向晶間斷裂的轉(zhuǎn)變，揭示了特定的氫控制塑性機(jī)制。發(fā)現(xiàn)氫在晶界附近形成局部氛圍，引起局部應(yīng)力集中并抑制變形過程中在晶界處的應(yīng)力松弛。相關(guān)論文以題為“Hydrogen-induced transgranular to intergranular fracture transitionin bi-crystalline nickel”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114122

研究發(fā)現(xiàn)在100,000 MC步驟中，晶粒和GB中的H濃度首先達(dá)到c0=0.001，在隨后的MC步驟中，由于捕獲能量高和體積過剩，H原子繼續(xù)泵入GB區(qū)域。然而，晶粒內(nèi)部的H濃度略有減少并保持在c=0.0008左右，這主要是由形成的H氛圍之間的吸引力相互作用引起的，在15,000,000 MC步驟之后，在c=0.25處達(dá)到平衡，表明這種類型的∑5 GB可能是首選的聚集地點(diǎn)。

圖1 (a, b, c) 完美∑5(210)[001]GB的平衡結(jié)構(gòu)和∑5、∑3 CTB的H分布圖；(d) Ni中H濃度c0與化學(xué)勢(shì)μ之間的關(guān)系；(e) GB區(qū)域、晶粒內(nèi)部H濃度與MC之間的關(guān)系 

圖2 不同H濃度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、孿晶體積分?jǐn)?shù)和不同應(yīng)變下無(wú)H與含H的原子結(jié)構(gòu)

圖3 不同區(qū)域的等效應(yīng)力應(yīng)變曲線和無(wú)H與含H的平均等效應(yīng)力分布

圖4 (a) 空位體積分?jǐn)?shù)隨H濃度變化的應(yīng)變函數(shù)；(b-g)應(yīng)變0.18時(shí)，隨H濃度變化的表面空位

H在100%飽和的情況下，由于高密度位錯(cuò)的塞積，在GB上具有納米空位形核，這種納米空位由H引起的從晶粒內(nèi)部到GB的割裂，表現(xiàn)為H誘導(dǎo)的穿晶斷裂向晶間斷裂的轉(zhuǎn)變。H能夠促進(jìn)更多的位錯(cuò)在GB上形核、增殖和消失，進(jìn)而產(chǎn)生更多的孿晶，這些孿晶相互作用，進(jìn)一步增加位錯(cuò)密度。

本文證明了由H影響控制的穿晶到晶間斷裂轉(zhuǎn)變機(jī)制，飽和的H可以增加GB區(qū)域的初始應(yīng)力集中，更重要的是抑制GB在變形過程中的應(yīng)力釋放能力，這會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中并促進(jìn)GB的局部塑性。本文表明了H-GB相互作用和氫增強(qiáng)空位形成是氫致室溫下晶間斷裂的重要因素。