金屬基材料的力學(xué)性能受氫的影響最為嚴(yán)重，因而長(zhǎng)期以來(lái)受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。人們發(fā)現(xiàn)氫降低材料塑性發(fā)生在幾乎所有重要的金屬與合金中，是一個(gè)普遍的現(xiàn)象，并給這種現(xiàn)象起了一個(gè)專(zhuān)有名字：氫脆。

氫脆現(xiàn)象是阻礙高強(qiáng)鋼廣泛使用的一大因素，氫在諸如燃料電池之類(lèi)的能源領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用。但氫會(huì)擴(kuò)散到材料中并使它們更容易斷裂，氫脆涉及多尺度氫缺陷的相互作用。由于氫原子質(zhì)量小，容易遷移，采用常規(guī)技術(shù)手段難以確定氫在材料中的精確位置，從而限制了人們對(duì)氫脆現(xiàn)象的理解。熱脫附光譜法可以識(shí)別氫的保留或捕獲，但是這些數(shù)據(jù)很難和不同微觀組織特征的相對(duì)貢獻(xiàn)聯(lián)系起來(lái)。

為此，研究人員使用低溫轉(zhuǎn)移原子探針層析成像技術(shù)，確定了兩種普通鋼鐵材料中氫原子的確切位置，這是一項(xiàng)新的突破。相關(guān)論文2020年1月10日以題為《Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries, and precipitates》發(fā)表在《Science》期刊。文章第一作者單位是悉尼大學(xué)，通訊單位是悉尼大學(xué)和中信金屬，合作單位還包括北京科技大學(xué)、上海交通大學(xué)等。

對(duì)氫陷阱的直接觀察將有助于開(kāi)發(fā)出更耐氫脆的材料。為此，研究人員通過(guò)低溫轉(zhuǎn)移原子探針層析成像技術(shù)來(lái)觀察鋼中特定微觀結(jié)構(gòu)特征下的氫。結(jié)果表明，氫原子被釘扎在鋼中位錯(cuò)、晶界、析出相等位置不同界面。在富碳的位錯(cuò)和晶界處直接觀察到了氫，這為氫脆模型提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。在NbC析出相與鋼基體不相連的界面處也觀察到了氫。這直接證明了不相連的界面處可成為氫陷阱，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于設(shè)計(jì)抗脆性鋼具有重要重義。

圖1 鐵素體鋼和馬氏體鋼的顯微組織

圖2 TDS數(shù)據(jù)反映了兩種鋼中氫被捕獲的溫度

圖3 APT分析充氘后含NbC的鐵素體鋼試樣

圖4 APT分析充氘后含晶界和位錯(cuò)的馬氏體鋼試樣