北科大重要發現：原子尺度揭示鋼的抗氫脆根源

導讀：高強鋼的氫脆是限制其工業應用的重要瓶頸，而碳化鈮（NbC）納米析出相在提升強度的同時也能提高抗氫脆性能。本文利用高分辨透射電鏡（HRTEM）直接觀察到馬氏體鋼中NbC與Fe基體的半共格界面處存在大量失配位錯，並結合第一性原理計算（DFT）和熱脫附譜法（TDS）證實了這些失配位錯核心是NbC作為深氫陷阱的根源，並基於這種理念得到具有優異抗氫脆性能的高強馬氏體鋼。

馬氏體高強鋼因出色的力學性能而廣泛應用於航空航天、海洋工程、油氣開發等領域，但其具有很高的氫脆敏感性，這嚴重製約了馬氏體鋼的進一步開發和應用。目前人們對氫脆機理的認識已較明晰，但如何設計高強抗氫脆鋼依然是一個重要瓶頸。通過引入晶內氫陷阱來捕獲氫是當前抗氫脆設計的重要理念，特別是VC、TiC、NbC等納米析出相。2020年1月，雪梨大學Yi-Sheng Chen等人在《Science》發表的成果中採用原子探針層析成像技術（APT）直接觀察到氫分布在NbC與鋼基體界面處（詳見：「鋼鐵領域再發《Science》！氫脆原來是這麼回事！」）。

然而，究竟什麼結構才是NbC界面處的氫捕獲位點？這一個本質問題一直懸而未解，因為界面處含有複雜的結構，包括四/八面體間隙、彈性應變場、空位、失配位錯等，而這些無法通過APT辨識。因此，通過確定NbC深氫陷阱的根源才能深刻理解其氫陷阱行為，進而調控析出相以獲得優異的抗氫脆性能。

基於此，北京科技大學北京材料基因工程高精尖創新中心喬利傑教授團隊採用HRTEM觀察、DFT計算、TDS實驗等方法從原子層次揭示了NbC與基體半共格界面處的失配位錯核心是其深氫陷阱的根源，為進一步調控NbC以獲得高強抗氫脆鋼提供了理論基礎。相關研究成果以「Atomic-scale investigation of deep hydrogen trapping in NbC/α-Fe semi-coherent interfaces」為題，發表在金屬材料領域頂級期刊Acta Materialia上，博士生石榮建為論文第一作者。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.031

研究發現，通過HRTEM原子級觀察得到NbC與基體之間為K-S取向關係（圖1），並且其半共格界面處存在高密度的兩組失配位錯。進一步地，通過DFT計算（圖2）和TDS實驗（圖3），分別從原子級模擬和氫陷阱激活能測量兩方面揭示了界面處的失配位錯核心是NbC深氫陷阱的根源和本質。

圖1. NbC/α-Fe半共格界面HRTEM研究。（A）NbC顆粒與基體HRTEM圖，插圖為快速傅立葉轉換（FFT）圖；（B1-B4）分別為基體和NbC的FFT圖、反傅立葉轉換圖；（C）晶體取向關係圖，表明NbC與基體為Kurdjumov–Sachs（K–S）取向關係；（D-E）半共格界面失配位錯（用「⊥」表示）分析

圖2. DFT計算不同NbC/α-Fe界面及氫陷阱行為。（A-B）具有Baker–Nutting取向關係的（001）界面、（C-D）含碳空位的（001）界面、（E-F）本研究的K-S界面加氫前後的原子級模擬

圖3. TDS實驗研究NbC深氫陷阱行為。（A）預充氫後不同升溫速率下的TDS圖，（B）兩個熱脫附峰的氫陷阱激活能分別為19.7 kJ/mol（位錯等淺氫陷阱）和81.8 kJ/mol（NbC等深氫陷阱）

圖4. 本研究與文獻中氫陷阱能力和抗氫脆性能的比較

本研究從原子層次揭示馬氏體鋼中NbC深氫陷阱的根源——半共格界面處的失配位錯核心，以此獲得了優異的深氫陷阱能力和抗氫脆性能（圖4），這為高強抗氫脆鋼的設計提供了重要的理論與實踐支撐。利用該研究成果開發出的高強韌、易焊接低合金鋼可用於解決我國國防重大需求，已開始百噸級的工業化生產。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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