中山大學(xué)《Scripta Materialia》：氫脆機(jī)理新認(rèn)識！重新審視“氫促滑移共面性”理論

中山大學(xué)《Scripta Materialia》：氫脆機(jī)理新認(rèn)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(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性，是氫能源基礎(chǔ)設(shè)施部署面臨的最持久技術(shù)障礙。盡管已提出氫增強(qiáng)局部塑性變形（HELP）、弱鍵理論（HEDE）、氫增強(qiáng)應(yīng)變誘導(dǎo)空位（HESIV）以及HELP+HEDE復(fù)合模型等機(jī)制，但這些理論仍存在重大爭議。

許多研究者將HE現(xiàn)象歸因于氫抑制位錯(cuò)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(shí)驗(yàn)證據(jù)。然而，滑移帶是位錯(cuò)演化在樣品表面的凸起，而樣品表面的位錯(cuò)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(shí)，未考慮晶體取向的影響，降低了“氫促滑移共面性”這一結(jié)論的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。

近期，中山大學(xué)孫擎擎等人從晶體取向效應(yīng)和表體位錯(cuò)行為差異兩個(gè)關(guān)鍵角度出發(fā)，對金屬氫脆中被廣泛引用的“氫促滑移共面性”理論進(jìn)行了再探討。相關(guān)研究成果以“Revisiting hydrogen-enhanced slip planarity in Ni”為題發(fā)表在《Scripta Materialia》。首先基于晶體取向關(guān)聯(lián)性的滑移帶寬度統(tǒng)計(jì)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(guān)聯(lián)性的位錯(cuò)集群行為研究表明，充氫促進(jìn)了位錯(cuò)胞的演化速率，產(chǎn)生了尺寸顯著更小的位錯(cuò)胞，位錯(cuò)胞的產(chǎn)生依賴于交滑移，因此可以認(rèn)為氫反而是促進(jìn)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(xué)性能、斷裂形式、位錯(cuò)組態(tài)以及應(yīng)力松弛行為（位錯(cuò)激活體積），發(fā)現(xiàn)促進(jìn)平面滑移和脆性斷裂之間沒有必然的聯(lián)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(tǒng)計(jì)

圖3 充氫前后不同取向純Ni晶粒的位錯(cuò)組態(tài)（應(yīng)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(cuò)組態(tài)（應(yīng)變0.13）：(a) (b) [100]，(c) (d) [110]，(e) (f) [111]

表1 Cr與H對Ni的層錯(cuò)能、位錯(cuò)密度、位錯(cuò)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(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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