《Science》子刊：一种新的氢脆机制！低能位错纳米结构

编辑推荐：氢脆的报道已经有一个多世纪了，氢脆现象具有非常重要的地位。其关键是合金中氢与微观结构的相互作用。目前针对氢脆提出的几种解决方案只能延迟失效，不能完全消除问题。本文提出了一种新的氢脆机制，发现低能位错胞结构是裂纹萌生的主要原因，裂纹扩展受脆性断裂控制。

氢脆被证明通过一个以前未知的机制进行的。氢进入微结构后，促进了低能位错纳米结构的形成。它们的特点是，随着应变的增加而增加的单元模式，同时吸引更多的氢，直到达到临界量，导致失效。破坏区的外观类似于包裹体作为应力集中体的“鱼眼”，这是一个被普遍接受的失效原因。近日，来自英国兰卡斯特大学的P. E. J. Rivera-Diaz-Del-Castillo等研究者发现，实际的裂纹萌生是位错纳米结构及其相关的应变分配。相关论文以题为“Hydrogen embrittlement through the formation of low-energy dislocation nanostructures in nanoprecipitation-strengthened steels”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eabb6152

氢的存在导致脆化的报道已经有一个多世纪了。人们已经认识到，延性可以显著降低界面化合物的形成，其中氢可以是副产品。然后氢可以扩散在不同尺度上与微观结构产生丰富的相互作用，促进裂纹的形成和扩展。氢脆(HE)被认为对新兴技术有显著的影响，包括风力涡轮机发电、储氢和超轻汽车车身。这使得氢脆在现代社会和技术需求中具有非常重要的地位。

氢脆科学讨论的中心是在合金中氢与微观结构的相互作用。旋转高负荷部件，如风力涡轮机的齿轮和轴承，会因氢而加速损坏，氢与强化沉淀相互作用，如渗碳体，促进它们的溶解，加速裂纹的形成。孪晶诱导塑性(TWIP)钢表现出强烈的氢-孪晶相互作用，孪晶成为氢快速扩散的介质，氢扩散在一定区域积聚后，促进空洞的形成和解理。

针对氢脆提出了几种解决方案。控制组分环境或通过涂层抑制氢进入是常用的解决方案；捕氢是常见的替代方案，即氢被微观结构特征所吸引，例如纳米沉淀物、体相或界面。这种吸引力会在规定的位置聚集氢，从而大大降低氢的聚集能力和产生破坏的能力。纳米颗粒，如(Nb,V,Ti)C，既能吸引氢到其应变场，也能吸引氢到其本体；在任何一种情况下，它回到基体中的固溶体中并重新结合导致损伤所需要的能量都比保持在室温下所需要的能量要高。

因此，纳米沉淀物分散在微观结构中，当氢进入时，整个原子氢被固定。另一方面，像奥氏体这样的相表现出明显较低的扩散率，但对氢的溶解度较高，当均匀地分布在微观组织中时，可能会作为氢扩散的障碍。遗憾的是，氢脆的这些解决方案只是缓和剂，只能延迟失效，不能完全消除问题，但往往会将其推迟到构件的预期寿命之外。

在此，研究者通过分析一种最简单的微观结构理清了氢脆的基本原理，这是一种低合金铁素体的具有精细结构的纳米沉淀物。这项研究是通过比较氢气存在和不存在时的变形机制进行的，范围从纳米到毫米不等。结果表明，低能位错胞结构是裂纹萌生的主要原因，裂纹扩展受脆性断裂控制。

图1 HE的多尺度描述。

图2 扫描电镜和透射电镜显示了装药前的微观结构和装药后的位错和沉淀结构。

图3 Ti-Mo在无氢和带氢试样断裂区域的力学响应。

图4 无氢和充氢试样断裂区域的V-Mo力学响应。

综上所述，研究者提出了一种新的氢脆机制。氢的进入会立即引起微观结构的变化，它展示了孪晶是如何诱导的，以及密集位错缠结的形成。富氢的样品表现出更高的位错迁移率，促进了低能位错纳米结构的形成。纳米结构可以充当氢的吸收槽，通过收集更多的氢，它们的位错纳米结构会产生严重的错位裂纹。在裂缝起源的前面，可以看到劈裂区域。精心设计的微结构容易发生位错形核和低能量纳米结构的形成，从而局部导致应变分配和破坏。（文：水生）