麻省理工学者解决BCC金属氢脆机制长期争议

2025-05-21 16:27:22 作者：高强材料学科前沿来源：高强材料学科前沿分享至：

氢在体心立方金属中既能移动位错又能钉扎位错

【背景和问题】

氢在体心立方（BCC）金属（如钢铁）中的扩散和与位错的相互作用是氢脆研究的核心问题，但长期存在矛盾结论：氢既可增强位错运动（氢增强局部塑性模型HELP），也可钉扎位错（氢增强解聚模型HEDE）。这一矛盾源于BCC金属中氢的高扩散性和低溶解度，导致实验观测困难。理解氢与位错的动态行为对氢脆机理的完善和耐氢材料开发至关重要。然而，BCC金属中氢如何同时驱动和抑制位错运动、其作用机制是否与面心立方（FCC）金属存在本质差异等问题尚未明确。

【主要方法】

实验方法：（1）原位SEM-ECCI：对预应变1%的430不锈钢（BCC结构）进行电化学充氢（电解液：30 g/L NaCl + 3 g/L NH₄SCN，电流密度5 A/m²），通过扫描电镜电子通道衬度成像（ECCI）实时观察位错运动。（2）同步辐射XRD：利用高能X射线（105.7 keV）分析充氢过程中晶格应变和参数变化，排除宏观变形干扰。（3）银装饰实验：在样品表面覆盖银溶液（4.3 mM KAg(CN)₂），通过光学显微镜观察氢扩散路径，验证氢的分布特性。（4）氢渗透测试：采用Devanathan-Stachurski双电解池法监测氢穿透动力学。

模拟方法：（1）分子动力学（MD）：基于EAM势函数模拟螺型位错与氢通量的相互作用，分析位错运动与钉扎的原子机制。（2）弹性带计算（NEB）：量化氢结合位点（如S2位点）对位错迁移能垒的影响，揭示氢降低双扭结形核能垒的作用。（3）粗粒度模拟：结合氢扩散随机规则和位错线张力效应，预测氢梯度诱导位错运动的宏观行为。

【结果和意义】

氢的双重作用：充氢初期（1小时内），ECCI观察到BCC金属中位错小范围移动（平均位移49 nm），随后氢在位错核心聚集导致钉扎，且钉扎状态在氢脱附后仍保持。
局部敏感性：仅约5%的位错对氢敏感，远低于FCC金属（90%），表明BCC中氢-位错作用受限于局部通量和结合位点。
扩散特性：银装饰实验显示氢在BCC中均匀扩散，未沿晶界富集；同步辐射XRD证实氢未引起宏观晶格应变变化。
原子机制：MD模拟表明氢通量诱导位错反向运动，但氢核心聚集后形成钉扎；NEB计算揭示S2氢结合位点可将双扭结形核能垒从0.68 eV降至0.14 eV，加速位错运动。
本研究首次通过实验与模拟结合，揭示氢在BCC金属中“先动后钉”的双重作用机制，解决了HELP与HEDE模型的长期争议。本工作也为耐氢材料的设计提供了关键指导，如通过调控位错密度、氢陷阱分布或晶界工程优化抗氢脆性能等。