編輯推薦：氫脆的報道已經有一個多世紀了，氫脆現象具有非常重要的地位。其關鍵是合金中氫與微觀結構的相互作用。目前針對氫脆提出的幾種解決方案只能延遲失效，不能完全消除問題。本文提出了一種新的氫脆機制，發現低能位錯胞結構是裂紋萌生的主要原因，裂紋擴展受脆性斷裂控制。

氫脆被證明通過一個以前未知的機制進行的。氫進入微結構后，促進了低能位錯納米結構的形成。它們的特點是，隨著應變的增加而增加的單元模式，同時吸引更多的氫，直到達到臨界量，導致失效。破壞區的外觀類似于包裹體作為應力集中體的“魚眼”，這是一個被普遍接受的失效原因。近日，來自英國蘭卡斯特大學的P. E. J. Rivera-Diaz-Del-Castillo等研究者發現，實際的裂紋萌生是位錯納米結構及其相關的應變分配。相關論文以題為“Hydrogen embrittlement through the formation of low-energy dislocation nanostructures in nanoprecipitation-strengthened steels”發表在Science Advances上。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eabb6152

氫的存在導致脆化的報道已經有一個多世紀了。人們已經認識到，延性可以顯著降低界面化合物的形成，其中氫可以是副產品。然后氫可以擴散在不同尺度上與微觀結構產生豐富的相互作用，促進裂紋的形成和擴展。氫脆（HE）被認為對新興技術有顯著的影響，包括風力渦輪機發電、儲氫和超輕汽車車身。這使得氫脆在現代社會和技術需求中具有非常重要的地位。

氫脆科學討論的中心是在合金中氫與微觀結構的相互作用。旋轉高負荷部件，如風力渦輪機的齒輪和軸承，會因氫而加速損壞，氫與強化沉淀相互作用，如滲碳體，促進它們的溶解，加速裂紋的形成。孿晶誘導塑性（TWIP）鋼表現出強烈的氫-孿晶相互作用，孿晶成為氫快速擴散的介質，氫擴散在一定區域積聚后，促進空洞的形成和解理。

針對氫脆提出了幾種解決方案。控制組分環境或通過涂層抑制氫進入是常用的解決方案；捕氫是常見的替代方案，即氫被微觀結構特征所吸引，例如納米沉淀物、體相或界面。這種吸引力會在規定的位置聚集氫，從而大大降低氫的聚集能力和產生破壞的能力。納米顆粒，如（Nb,V,Ti）C，既能吸引氫到其應變場，也能吸引氫到其本體；在任何一種情況下，它回到基體中的固溶體中并重新結合導致損傷所需要的能量都比保持在室溫下所需要的能量要高。

因此，納米沉淀物分散在微觀結構中，當氫進入時，整個原子氫被固定。另一方面，像奧氏體這樣的相表現出明顯較低的擴散率，但對氫的溶解度較高，當均勻地分布在微觀組織中時，可能會作為氫擴散的障礙。遺憾的是，氫脆的這些解決方案只是緩和劑，只能延遲失效，不能完全消除問題，但往往會將其推遲到構件的預期壽命之外。

在此，研究者通過分析一種最簡單的微觀結構理清了氫脆的基本原理，這是一種低合金鐵素體的具有精細結構的納米沉淀物。這項研究是通過比較氫氣存在和不存在時的變形機制進行的，范圍從納米到毫米不等。結果表明，低能位錯胞結構是裂紋萌生的主要原因，裂紋擴展受脆性斷裂控制。

圖1 HE的多尺度描述。

圖2 掃描電鏡和透射電鏡顯示了裝藥前的微觀結構和裝藥后的位錯和沉淀結構。

圖3 Ti-Mo在無氫和帶氫試樣斷裂區域的力學響應。

圖4 無氫和充氫試樣斷裂區域的V-Mo力學響應。

綜上所述，研究者提出了一種新的氫脆機制。氫的進入會立即引起微觀結構的變化，它展示了孿晶是如何誘導的，以及密集位錯纏結的形成。富氫的樣品表現出更高的位錯遷移率，促進了低能位錯納米結構的形成。納米結構可以充當氫的吸收槽，通過收集更多的氫，它們的位錯納米結構會產生嚴重的錯位裂紋。在裂縫起源的前面，可以看到劈裂區域。精心設計的微結構容易發生位錯形核和低能量納米結構的形成，從而局部導致應變分配和破壞。