中山大學《Scripta Materialia》：氫脆機理新認識！重新審視“氫促滑移共面性”理論

中山大學《Scripta Materialia》：氫脆機理新認識！重新審視“氫促滑移共面性”理論

氫脆（HE）通過氫與晶格缺陷的相互作用破壞金屬構件的結構完整性，是氫能源基礎設施部署面臨的最持久技術障礙。盡管已提出氫增強局部塑性變形（HELP）、弱鍵理論（HEDE）、氫增強應變誘導空位（HESIV）以及HELP+HEDE復合模型等機制，但這些理論仍存在重大爭議。

許多研究者將HE現象歸因于氫抑制位錯的交滑移，即“氫促滑移共面性”理論。該理論主要是以“氫增大滑移帶寬度和高度”作為實驗證據。然而，滑移帶是位錯演化在樣品表面的凸起，而樣品表面的位錯演化與芯部是不同步的。此外，在比較氫對滑移帶特征的影響時，未考慮晶體取向的影響，降低了“氫促滑移共面性”這一結論的科學嚴謹性。

近期，中山大學孫擎擎等人從晶體取向效應和表體位錯行為差異兩個關鍵角度出發，對金屬氫脆中被廣泛引用的“氫促滑移共面性”理論進行了再探討。相關研究成果以“Revisiting hydrogen-enhanced slip planarity in Ni”為題發表在《Scripta Materialia》。首先基于晶體取向關聯性的滑移帶寬度統計分析表明，充氫對純Ni表面滑移帶寬度幾乎沒有影響；其次基于晶體取向關聯性的位錯集群行為研究表明，充氫促進了位錯胞的演化速率，產生了尺寸顯著更小的位錯胞，位錯胞的產生依賴于交滑移，因此可以認為氫反而是促進了純Ni中的交滑移；最后綜合對比研究了Ni-H和Ni-Cr體系的力學性能、斷裂形式、位錯組態以及應力松弛行為（位錯激活體積），發現促進平面滑移和脆性斷裂之間沒有必然的聯系。

圖1 不同取向純Ni晶粒在充氫前后的滑移帶特征

圖2 不同取向純Ni晶粒在充氫前后的滑移帶寬度統計

圖3 充氫前后不同取向純Ni晶粒的位錯組態（應變0.16）[ref. 40]：(a) (b) [100]，(c) (d) [110]，(e) (f) [111]

圖4 Ni, Ni-H, Ni-Cr的拉伸曲線

圖5 Ni和Ni-Cr的位錯組態（應變0.13）：(a) (b) [100]，(c) (d) [110]，(e) (f) [111]

表1 Cr與H對Ni的層錯能、位錯密度、位錯激活體積、滑移平面性及斷裂模式影響的比較

H

Decreased SFE

Brittle fracture

Increased dislocation density

Decreased activation volume

Non-promoted slip planarity

Cr

Decreased SFE

Ductile fracture

Increased dislocation density

Decreased activation volume

Promoted Slip planarity

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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