西安交大科研人员发现金属氢脆断裂新机制

通过环境透射电子显微镜内的原位弯曲实验并结合原子尺度模拟计算，西安交大材料学院单智伟研究团队发现并提出在金属铝中由于局部塑性变形引发小角晶界的动态形成从而促进材料氢脆断裂的新机制。

金属的氢脆问题在各种工业应用中普遍存在，并经常导致关键金属构件在无征兆情况下发生突然断裂，引发安全事故。但目前学术界对金属氢脆现象虽然经历了上百年的研究，但在微观层面上，对许多关键机制性问题仍然缺少认知。金属的氢脆断裂类型按断口特征通常分为沿晶开裂和穿晶开裂两种。对于沿晶开裂的解释，弱键理论（HEDE）提供了广受认可的解释，该理论认为氢原子在晶界上聚集到一定浓度能弱化晶界结合强度，促进开裂。而对于穿晶开裂，由于缺乏直接的微观实验证据支持，目前还处于多理论并存阶段。穿晶开裂断口上的塑性特征来源于裂尖小体积塑性区内位错活动，因此氢如何影响塑性区内位错活动并导致开裂是该研究的关键争论点。

针对这一困扰，西安交通大学单智伟研究团队提出裂尖塑性区中常见的位错亚结构（位错墙、小角晶界等）可能发挥与常规晶界类似的作用，即吸收氢并转变成弱结合状态，从而促进氢致开裂。针对这一设想，该团队利用原位环境透射电子显微镜对微纳米尺寸的单晶铝预制裂纹悬臂梁进行了弯曲实验，针对有氢和无氢环境比较研究了在裂尖实时生成的由位错组成的小角晶界的开裂过程。研究发现，相比于真空环境下预制裂纹较容易发生钝化止裂，在氢气氛中预制裂纹更容易沿该晶界形成新裂纹后扩展。为进一步解释氢对小角晶界特性的影响，团队与武汉大学万亮课题组合作，利用原子尺度模拟和计算发现，所形成的小角晶界可以强有力地捕获氢原子，使氢原子在晶界处大量偏聚，晶界的结合强度由于晶界上高密度氢原子所产生的强HEDE效应大幅降低。这些结果说明，在更一般的情况下，金属多晶体材料中氢致穿晶裂纹的扩展可以通过不断地先在裂纹尖端塑性变形区动态地形成小角晶界并吸引氢原子在该晶界处偏聚，再由氢原子弱化晶界结合强度而促进裂纹扩展来进行。

这一发现为金属材料可以通过由局部塑性变形动态形成新的晶界后在该晶界产生穿晶裂纹的氢脆断裂机制提供了实验证据，有助于进一步加深人们对于金属材料中局部塑性变形在氢诱导穿晶开裂中所起作用的理解。

单晶铝加载开裂过程示意图

该研究以“Hydrogen enhanced cracking via dynamic formation of grain boundary inside aluminium crystal”为题在学术期刊 Corrosion Science 上发表，西安交通大学材料学院副教授解德刚为论文第一作者，单智伟教授为论文通讯作者，武汉大学动力与机械学院副教授万亮为共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109307