锆及其合金是广泛应用于核反应堆的燃料包壳管和压力管等关键部件的合金体系。然而，在服役过程中，由于在富氢环境下，锆合金会不可避免地吸收氢气，当局部氢浓度超过固溶度时，便会析出脆性的δ-ZrHx氢化物，这些氢化物极易成为微裂纹的萌生源，导致材料的提前断裂。长期以来，研究人员们尝试通过晶界工程来改善锆合金的抗氢脆性能，然而，由于加工工艺的限制，精准调控晶界特征在实际生产中往往难以实现。相比之下，变形孪晶在六方金属锆中是一种常见的塑性变形机制，即使经历轻微的变形也会产生大量孪晶界（TBs），但此前关于孪晶界上氢化物的析出行为、晶体学特征及其脆化效应的研究仍然缺乏系统性的认识。

近日，西安交通大学韩卫忠教授团队联合美国加州大学圣芭芭拉分校Irene J.Beyerlein教授通过设计两种不同形貌的孪晶结构，发现高密度的交叉孪晶网络能够有效限制氢化物的连续生长，将原本脆性的氢化物转变为可变形的小尺寸颗粒，甚至使其成为激活<c+a>位错的源泉，最终实现了锆合金抗氢脆性能的大幅提升。这一发现为核工业中锆合金的抗氢脆设计提供了全新的微观组织调控思路。目前这一成果在线发表于材料领域的国际期刊《Acta Materialia》，论文题为“Mitigating hydride embrittlement in zirconium via twin-twin networksa”。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122479

【核心内容】

团队构建了两种以孪晶为主导的微观组织，其中TW-Zr-1主要为平行排列的伸长状孪晶板条为主，而TW-Zr-2则形成高密度且相互交截的孪晶网络，随后将两种样品在相同电解充氢条件下进行加载，系统考察了氢化物析出形态及力学响应差异。

【研究成果】

① 孪晶形貌决定氢化物的生长模式

在TW-Zr-1中，氢化物优先沿孪晶界形核并长大，形成粗大的条带状聚集区，随充氢时间延长，此类氢化物沿长度和厚度方向持续扩展，最终演变为尺寸达数百微米的脆性连续块体，相较之下，TW-Zr-2中密集的交叉孪晶网格对氢化物的长大路径构成空间阻隔，抑制了其沿单一孪晶界的单向延伸，从而有效避免了连续脆性相的生成。

TW-Zr-1和TW-Zr-2的初始微观组织及不同充氢时间下的氢化物析出形貌

两种样品中孪晶参数与氢化物尺寸随充氢时间演变的定量关系

② 氢化物的晶体学特征

无论氢化物在哪类孪晶界上形核，都与相邻α-Zr基体保持着(0001)α//{111}δ和<11-20>α//<110>δ的取向关系，微观惯习面均为(0001)基面，并且宏观上看似沿着孪晶面生长的“大块”氢化物，实际上是由无数个平行的微纳尺度氢化物亚单元沿孪晶界反复形核最终堆叠而成的结构。

压缩孪晶（C1-TB）上析出的δ-ZrH1.66氢化物的晶体学取向关系及亚单元堆垛结构

氢化物在孪晶界（TB）处的形核位点、原子尺度界面结构及微纳尺度亚单元的平行堆垛模式

③ 孪晶形貌对氢脆敏感性的决定性影响

TW-Zr-1样品在充氢后，断裂伸长率持续下降，氢脆敏感性指数IHE为正且随氢含量升高而增大，而TW-Zr-2样品，充氢后不仅没有变脆，反而断裂伸长率超过了未充氢的样品（从未充氢的13.8%提升至充氢6小时后的17.05%），IHE值为负，表现出卓越的抗氢脆能力。

两种孪晶锆样品的拉伸力学性能、氢致脆化敏感性指数（IHE）及断裂侧面变形形貌

④ 从“脆性裂纹源”到“塑性位错源”

同样的氢化物，在不同孪晶结构中会产生相反的效果，在TW-Zr-1中，大尺寸的孪晶界氢化物在拉伸应力下极易解理开裂，这些裂纹很容易沿孪晶界合并扩展，最终形成贯穿性的大裂纹，但TW-Zr-2中细小的孪晶界氢化物由于尺寸极小，在塑性变形过程中能够与基体协调变形，不会引发界面开裂，这些细小氢化物的尖端能够作为位错发射源，激活锥面<c+a>位错。

TW-Zr-1样品中粗大孪晶界氢化物的微裂纹萌生、钝化、沿孪晶界扩展及最终失效机制

【总结与展望】

这项工作系统地揭示了变形孪晶在锆合金氢脆中的双重角色，文中发现的孪晶网络抗氢脆的策略不仅为核级锆合金的微观组织设计开辟了新途径，也有望推广至钛等其他易发生氢化物脆化的合金体系，具有重要的理论价值和工程应用前景。