《Science Advances》：低能位錯納米結構引起的新氫脆機制被發現

導讀：氫脆被證明是通過一種以前未知的機制進行的。一旦進入微結構，氫能促進低能位錯納米結構的形成，其特徵是取向差隨應變而增加，隨之而來的是吸收更多的氫直至導致失效的臨界量。普遍認為其原因是外觀類似於「魚眼」的故障區域與作為應力集中處的夾雜物相關聯。文中結果表明，實際的裂紋萌生是由位錯納米結構及其相關的應變分配引起的。

一個多世紀以來，一直有因氫的存在而導致脆化的報導。從開創性工作認識到延展性可以顯著降低的界面化合物的形成，氫作為副產品，直至發現氫可以擴散到部件主體，在不同尺度下與微結構產生大量相互作用，促進裂紋的形成和擴展。氫脆(HE)在風力渦輪機發電，儲氫和超輕車身等新興技術中被公認為具有顯著影響，因此氫脆問題成為現代社會和技術需求中一個非常突出的問題。

氫脆問題的研究重心是先進合金中氫與微觀結構的相互作用。氫促進破壞的各種微觀結構有一個共同點:複雜的微觀結構，具有控制強度、延展性和韌性的精心設計的結構，其特徵是具有引導變形時位錯運動的晶格應變，而氫的存在改變了這種陣列以及位錯運動。因此，複雜微結構的優異性能被氫改變，降低組件性能。

目前提出的幾種消除HE的方法，如最常見的控制部件環境或抑制氫通過塗層進入，都很難實現。隨後出現的解決方案是通過添加某些元素來實現部件的整體微觀結構改變，這些元素在基體的固溶體中可以改變HE敏感性。然而，這種添加並不能完全排除氫，取而代之的是利用氫捕集。氫被吸引到微觀結構特徵，其吸引力將氫聚集在固定的位置，此處氫聚集和產生損害的能力大大降低。然而這些方法治標不治本，只能延緩失效，不能完全消除HE，且往往會超過組件的預期壽命。

在此基礎上，英國謝菲爾德大學P. Gong等人提出了一種新的氫脆HE機制。主要是通過研究一種可能的最簡單的微觀結構，即具有納米沉澱物精細結構的低合金鐵素體等級，破解HE的基本原理。相關成果以題為「Hydrogen embrittlement through the formation of low-energy dislocation nanostructures in nanoprecipitation-strengthened steels」發表於期刊《Science Advances》。試驗是通過比較氫存在和不存在時的變形機制實施的，範圍從納米到毫米，結果發現低能位錯胞結構是裂紋產生的原因，且裂紋的擴展受脆性斷裂的控制。

論文連結：

https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eabb6152?rss=1

實驗結果表明，Ti-Mo比V-Mo表現出更弱的捕獲力。TDA的結果證實了最近原子探針斷層掃描觀察到的H被捕獲在沉澱物中，而不是在其界面處。與V-Mo相比，Ti-Mo的早期失效與捕獲50%氫的位錯相一致。一旦位錯被沉澱物固定，氫就開始累積，引起失效。

在富氫環境中變形時，發生複雜的位錯-沉澱物相互作用，同時形成細胞位錯納米結構。因此，當位錯接近沉澱物時，沉澱物/基質界面處的氫可增加位錯遷移率，可能發生從沉澱物內部向位錯的擴散。

綜上所述，本文基於控制位錯成核的有序應變升高物提出了HE的新機制。顯示了孿晶是如何誘導的，以及緻密位錯纏結的形成。富氫樣品顯示增強的位錯遷移率，促進低能位錯納米結構的形成。可以確定的是，具有精心設計的應力提升體的微結構將易於位錯成核和低能納米結構的形成，這將局部導致應變分配和失效。每當「魚眼」即將形成，氫特徵可以通過低能位錯納米結構的形成而出現，而不是剝離、空隙形成或裂紋位錯發射。這要求學者將注意力重新集中到延遲或抑制氫輔助位錯納米結構的形成上。