鋼材在發(fā)電廠、車輛、建筑物或關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但是由于氫脆通常導(dǎo)致材料承載能力的突然且災(zāi)難性的惡化，鋼材的使用面臨重大風(fēng)險。目前為止，已經(jīng)有多種氫脆機理被提出，這些機制經(jīng)常錯綜復(fù)雜的相互作用，使得氫脆現(xiàn)象極其復(fù)雜。一些宏觀的觀察通常是相互矛盾的，在宏觀尺度上，氫被證明會導(dǎo)致純鐵的硬化和軟化，而在斷口以下的區(qū)域，氫被發(fā)現(xiàn)會增強或降低塑性活性。在微觀和納米尺度上，主要的爭論圍繞著氫對位錯的能量學(xué)和動力學(xué)的影響。根據(jù)Cottrell和Snoek的理論，包括氫在內(nèi)的可擴散的間隙原子預(yù)計會在位錯周圍形成一個大氣，產(chǎn)生一個阻力來阻止位錯的運動。但是另外一些研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)幾種金屬材料暴露于氫中時，位錯的遷移率增加了，將此歸因于位錯核心周圍的氫大氣對位錯應(yīng)力場的彈性屏蔽。提出氫增強位錯遷移率是氫脆的“根本原因”，為氫增強局部塑性(HELP)機制提供了核心證據(jù)。然而，這些結(jié)果受到了最近原子模擬的挑戰(zhàn)，該模擬沒有重現(xiàn)產(chǎn)生氫增強的位錯遷移率，而是顯示了氫誘導(dǎo)的鋁和α-鐵的阻力效應(yīng)。由于缺乏定量的實驗證據(jù)，關(guān)于氫如何影響位錯運動的不確定性阻礙了我們對氫脆的理解。

近日，來自西安交通大學(xué)的解德剛教授和單智偉教授通過研究α-鐵中單個螺位錯的直線、循環(huán)和弓形運動，發(fā)現(xiàn)在2pa電子束激發(fā)的H₂氣氛中引發(fā)位錯運動的臨界應(yīng)力比在真空環(huán)境中低27-43%，證明氫增強了螺位錯運動。此外，本工作還發(fā)現(xiàn)除了真空脫氣之外，循環(huán)加載和卸載有助于氫的脫陷，使位錯恢復(fù)其無氫行為。這些在單個位錯水平上的發(fā)現(xiàn)可以為氫脆建模提供信息，并指導(dǎo)抗氫鋼的設(shè)計。相關(guān)成果以“Quantitative tests revealing hydrogen-enhanced dislocation motion in α-iron 為” 題發(fā)表在國際材料頂級期刊Nature Materials期刊上。

(1)開發(fā)設(shè)計了一個完全定量的原位瞬變電磁法力學(xué)測試工具，用于原位透射揭示了氫對位錯運動的影響；

(2)揭示了H增強位錯運動的機制；

圖1 揭示氫對位錯運動影響的實驗裝置示意圖。a、預(yù)制的單晶微柱，頂部有鉑蓋，提供良好控制的接觸條件。b、經(jīng)過機械退火處理的微柱，消除了大部分原有的位錯，同時保留了幾個兩端固定的長螺型位錯。c、在循環(huán)壓縮荷載(F)作用下，工程應(yīng)力在最小(σmin) ~最大(σmax)范圍內(nèi)，釘點間的位錯段相應(yīng)向前、向后移動。虛線表示它們在σmin處的形狀和位置。d，在不同的測試氣氛(真空，氫氣)下進行連續(xù)循環(huán)壓縮實驗。© 2022 Springer Nature

圖2 氫化對螺位錯弓出運動的影響。a，經(jīng)過一系列循環(huán)壓縮加載和卸載后的微柱的明場透射電鏡圖像。在b中，放大并觀察到框框區(qū)域標(biāo)記為1的可移動位錯。白色斑點表示釘住點。b，位錯1在真空(N = 1)和2 Pa H2 (N = 2)中σ_max的形態(tài)。在σ_min時，位錯1的形狀和位置與卸載時相同，如圖a所示，用白色虛線表示，作為參考位置和形狀。位錯1在不同狀態(tài)下的疊加分布圖如圖所示。c、加載工程應(yīng)力σ和數(shù)字跟蹤的位錯1投影滑動距離δ在一個典型加載周期內(nèi)是時間的函數(shù)。同時給出了激活位錯的臨界應(yīng)力σ_c和最大滑動距離δ_max。d,e，位錯1的δ_max和σ_c隨真空(d)和2pa H2 (e)加載循環(huán)數(shù)的變化規(guī)律，δ_max和σ_c的測量誤差分別為±1.4 nm和±9.5 MPa。© 2022 Springer Nature

圖3 氫脫氣對位錯行為的影響。a，在σmin (~35 MPa)下移動位錯2。位錯2的可移動段位于b-d中放大觀察到的框狀區(qū)域，其中其輪廓用白色虛線勾畫，作為參考位置和形狀。b - d，在(N = 22 (b))之前和(N = 1 (c)和10 (d))切換回真空后所選幾個周期的位錯運動。位錯2在σmax (~355 MPa)處的分布以白色實線描繪。在2 Pa H2 (e)和真空(f)中，位錯2的δmax和σc的測量誤差分別為±0.7 nm和±15.9 MPa。誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)差。樣品在真空中脫氣約3小時后開始真空試驗。© 2022 Springer Nature

圖4 氫增強螺位錯滑動的原子機制。a，在分解剪應(yīng)力τ_yz = 24 MPa下，位錯核中有氫原子和無氫原子的典型位錯MEPs。b-e，氫原子存在時，螺旋位錯線上扭結(jié)成核過程的順序原子構(gòu)型，每個構(gòu)型對應(yīng)的能量用a中的紅色箭頭表示。這里氫原子用黑色球體表示，鐵原子用灰色球體表示。f，初始態(tài)時氫原子周圍沿MEP的放大原子構(gòu)型。圍繞在間隙H原子(黑色小球體)周圍的6個鐵原子被涂成紅色，并用1-6標(biāo)記，形成一個多面體。螺旋位錯的當(dāng)前有效位置分別用f和g中的藍線表示。h、不含氫原子和含氫原子平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分子動力學(xué)模擬結(jié)果。© 2022 Springer Nature

開發(fā)新型裝置，克服已有研究成果的不足，利用先進表征手段解釋材料在氫脆，變形，相變以及服役過程的微觀機制，不僅是材料科學(xué)的重要突破，還極大的促進了工程的應(yīng)用。

材料人網(wǎng)對本文的通訊作者解德剛教授進行了專訪。

除鋼鐵材料外，鋁合金、鈦合金、鎂合金以及陶瓷等材料都會發(fā)生氫脆，相關(guān)的研究也有一些，只是相對于鋼鐵材料而言其它材料的氫脆研究還偏少。氫脆現(xiàn)象是否嚴(yán)重要與材料本身的特性、服役環(huán)境、溫度、受力情況等因素有關(guān)，對有氫脆失效風(fēng)險的應(yīng)用場景需要針對相應(yīng)的氫環(huán)境做材料相容性評價和適用性評價。

不同材料的氫脆失效方式是不同的，目前用不同的失效機理加以解釋。例如，鋼鐵材料在氫脆過程中不出現(xiàn)氫化物，但鈦合金、鎂合金等材料的氫脆過程則會在裂尖區(qū)域生成氫化物。又例如，我們在2016年的《自然-通訊》文章中報導(dǎo)了在鋁中，氫的引入會促進空位以及氫-空位復(fù)合體的生成，進而強烈地釘扎位錯運動；而對于鐵，氫通過降低螺位錯線上雙扭折形核能而促進位錯運動。另外，對陶瓷材料來說，由于其內(nèi)部主要為共價鍵，通常沒有或只有極少的塑性變形，位錯等缺陷難以移動，因而通常認為位錯在這類氫脆機制中的貢獻可以忽略。

很多研究發(fā)現(xiàn)通過在高強鋼中引入納米析出相深氫陷阱，可以有效地抑制氫脆現(xiàn)象，從而提高材料的韌性和延展性，這種設(shè)計思想在工程實踐中已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用和推廣。然而，這種設(shè)計思想仍然存在一些相關(guān)的不足和需要改進的地方。具體來說，可分為以下幾個方面：

因此在工程實踐中，還需要考慮成本、制造難度、力學(xué)性能和應(yīng)力狀態(tài)等方面的問題，對制備工藝和材料性能進行適當(dāng)?shù)母倪M和優(yōu)化。

首先要澄清一點，氫脆機制有很多種，目前并沒有能解釋全部現(xiàn)象的氫脆機制。認為氫增強位錯遷移率導(dǎo)致氫脆的主要理論是氫增強局部塑性理論（Hydrogen enhanced localized plasticity, HELP），該理論是由美國伊利諾伊大學(xué)一個科研團隊三十多年前提出，提出至今已成為了大部分鋼鐵氫脆研究所引用的理論，可見該理論在氫脆領(lǐng)域的重要性。HELP理論認為氫在應(yīng)力作用下集中在裂紋尖端附近并促進位錯活動，使變形集中在裂紋尖端附近，導(dǎo)致該區(qū)域過早地達到微孔聚合等開裂機制所需要的臨界變形量，因此表現(xiàn)出宏觀的氫促進開裂行為。該理論一個基礎(chǔ)論點是氫促進位錯運動，也即題中所指的氫增強位錯遷移率，但得出這一結(jié)論的相關(guān)實驗結(jié)果及其解釋卻并不能讓人完全信服。例如材料模擬專家Curtin團隊發(fā)表了系列有影響力的文章指出，在Fe中，氫既不會起到應(yīng)力屏蔽作用，也不會促進位錯的運動，反而會聚集到刃位錯半原子面下方的拉應(yīng)力區(qū)，形成Cottrell氣團阻礙位錯的運動。本團隊工作也表明氫對鋁和鐵兩種模型金屬材料中的位錯運動的影響是截然相反的，表明氫對位錯運動的影響要根據(jù)具體材料類型來確定。

因此，說氫增強位錯遷移率是氫脆的“根本原因”仍然為時尚早，要得到能夠統(tǒng)一現(xiàn)有各氫脆機制的“根本原因”仍需要更多的研究。

4. 氫除了導(dǎo)致明顯的氫脆現(xiàn)象之外，是否有其積極作用？

在一些應(yīng)用場景下，向金屬和合金中引入適量的氫原子可以產(chǎn)生以下幾個方面的積極作用：

（1）氫可以通過降低金屬的流變應(yīng)力，促進金屬的塑性變形，因此在金屬加工中被廣泛應(yīng)用。在某些情況下，如在鍛造和軋制過程中，通過向金屬中注入適量的氫可以降低材料發(fā)生塑性形變的閾值，從而降低工藝溫度和加工應(yīng)力需求，提高生產(chǎn)效率和能源利用率。其中應(yīng)用較多的是鈦合金的熱氫處理工藝，在鈦合金加工過程中，將氫作為臨時合金元素添加可以顯著細化顯微組織，改善加工成型性能，優(yōu)化燒結(jié)工藝。

（2）氫還可以改善金屬的力學(xué)性能，例如提高強度、硬度、疲勞壽命、耐磨性和切削性能等。在某些材料中，如鐵素體不銹鋼和鈦合金等，氫可以通過形成穩(wěn)定的氫化物相來增加材料的硬度和強度。這種強度和硬度的增加還可以優(yōu)化合金的切削性能，如改善金屬切削成型過程中的粘刀性。另外，合金中脆性氫化物的形成也為粉末加工和粉體材料制備提供了一種可靠的途徑，如稀土粉末、鈦粉制備。

（3）對于非晶合金，適量的氫可以提高合金塑性，還可以提高非晶態(tài)合金玻璃形成能力，實驗上表現(xiàn)為臨界玻璃形成尺寸的增加，即通過吸氫處理可以制備更大尺寸的塊體非晶合金。

（4）氫還可以用金屬冶煉，如氫還原冶煉鐵技術(shù)。除此之外，氫可以作為燃料電池的原料用于發(fā)電。

論文詳情：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01537-w