西安交大《Nature Mater》：定量实验证实氢促进铁中螺位错运动！

钢铁材料（尤其是高强钢）的氢脆严重危害了其在关键承重构件中的服役安全。由于缺乏定量的实验证据，氢对位错运动的影响至今没有定论，这阻碍了人们对氢脆微观机理的理解。近日，西安交大材料学院的单智伟教授、解德刚副教授联合上海交大等多家单位，通过基于原位环境透射电镜的新型定量实验方法，对比研究了纯铁中单根螺位错在含氢/不含氢条件下的运动行为，证明了氢促进螺位错的运动，另外还发现了循环加载/卸载可促进氢从材料氢陷阱中脱附，使位错恢复无氢时的行为。这些在单个位错尺度上的研究结果可以为氢脆机理建模提供依据，并有助于指导抗氢脆钢的设计。相关成果以“Quantitative tests revealing hydrogen enhanced dislocation motion in α-iron” 为题在《自然·材料》杂志上在线发表。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01537-w

氢原子因具有小而轻的特性极容易进入材料内部并影响材料性能。对于在人类现代文明中起到支柱作用的钢铁材料，氢往往会恶化其服役时的力学性能，造成氢致延迟断裂和氢促进应力腐蚀开裂等氢脆现象。精准认知氢脆的微观机理是建立氢脆失效模型及设计抗氢脆材料的基础。然而，迄今为止，人们对氢是如何影响金属材料中位错（主要的塑性载体）运动行为这一问题的认识尚存争议，现有的理论也多局限于作唯象化和定性化的解释，极大地限制了人们对氢脆本质的理解以及对材料进行有效防护。近几十年间，学者们进行了大量关于氢对位错运动行为影响的计算和实验研究，但在单个位错水平上进行定量实验具有非常大的挑战性，迄今仍缺乏直接、定量的实验证据。

针对这一问题，西安交通大学研究人员设计了一种完全定量的原位环境透射电镜纳米力学测试方法（如图1所示），该方法尽可能减少充放氢过程中因位错钉扎点状态变化和/或局部应力分布变化而对位错行为造成的影响，并精确控制施加的载荷，实现不同环境条件下位错弓出运动行为的量化对比，实验结果表明：

1）当向真空样品室中通入2 Pa的氢气并在电子束辐照的帮助下对样品进行充氢后，试样中螺位错的启动应力下降了27%以上，相应的位错最大滑动位移也大幅增加（如图2所示）。

2）关闭氢气阀并重新抽真空，样品经历3个小时的高真空除氢后，内部的位错芯上依然残留有氢原子，这些残余氢仍然可以起到促进位错运动的作用。在随后的加载循环中，附着在位错芯上的氢逐渐被运动的位错“甩脱”，使得位错逐步恢复无氢时的运动：位错的启动应力逐渐增加，位错最大滑动位移（dmax）逐渐减小，直到新平衡条件下的稳定运动状态（如图3所示）。上述结果表明氢对位错运动的影响是可逆的。此外，这一低应力循环加载辅助位错脱氢现象，为工程应用提供了一种新的除氢策略，理论上和常规除氢方法并用可以达到更好的除氢效果。

3）原子尺度模拟表明氢可以通过促进扭折对的形核，进而促进螺位错的运动。由于在变形初期（小塑性变形量）扭折对的形核是螺位错运动的速率控制过程，附着在位错芯处的氢有利于螺位错扭折对形核过程中从基态到“鞍点”态的转变，降低扭折对形核的势垒，从而促进螺位错的运动（如图4所示）。

图1 研究氢对位错运动影响的实验方案示意图

图2 充氢前后对螺位错运动行为对比

图3 脱氢前后对螺位错运动行为对比

图4 含氢/不含氢条件下的原子模拟结果

本论文的共同通讯作者是西安交大材料学院的解德刚副教授和单智伟教授，团队近年来在金属氢脆机理研究上取得了一系列进展，相关研究请参考：

[1] D.G. Xie, Z.J. Wang, J. Sun, J. Li, E. Ma, Z.W. Shan, Nat. Mater. 14(9) (2015) 899-903; https://doi.org/10.1038/nmat4336

[2] D.G. Xie, S.Z. Li, M. Li, Z.J. Wang, P. Gumbsch, J. Sun, E. Ma, J. Li, Z.W. Shan, Nat. Commun. 7 (2016) 13341; https://doi.org/10.1038/ncomms13341

[3] M. Li, D.G. Xie, E. Ma, J. Li, X.X. Zhang, Z.W. Shan, Nat. Commun. 8 (2017) 14564; https://doi.org/10.1038/ncomms14564

[4] D.G. Xie, L. Wan, Z.W. Shan, Corrosion Sci. 183 (2021) 109307. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109307

西安交大黄龙超博士和上海交大陈登科副教授是论文共同第一作者。参与该工作的还有西安交大马恩教授、李苏植教授，麻省理工李巨教授、张寅博士，佐治亚理工大学朱廷教授和德国马克斯-普朗克研究所Dierk Raabe教授。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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