編輯推薦：通過環(huán)境透射電子顯微鏡內(nèi)的原位彎曲實驗并結(jié)合原子尺度模擬計算，西安交大材料學(xué)院單智偉研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)并提出在金屬鋁中由于局部塑性變形引發(fā)小角晶界的動態(tài)形成從而促進(jìn)材料氫脆斷裂的新機(jī)制。

金屬的氫脆問題在各種工業(yè)應(yīng)用中普遍存在，并經(jīng)常導(dǎo)致關(guān)鍵金屬構(gòu)件在無征兆情況下發(fā)生突然斷裂，引發(fā)安全事故。目前學(xué)術(shù)界對金屬氫脆現(xiàn)象雖然經(jīng)歷了上百年的研究，但在微觀層面上，對許多關(guān)鍵機(jī)制性問題仍然缺少認(rèn)知。金屬的氫脆斷裂類型按斷口特征通常分為沿晶開裂和穿晶開裂兩種。對于沿晶開裂的解釋，弱鍵理論（HEDE）提供了廣受認(rèn)可的解釋，該理論認(rèn)為氫原子在晶界上聚集到一定濃度能弱化晶界結(jié)合強(qiáng)度，促進(jìn)開裂。而對于穿晶開裂，由于缺乏直接的微觀實驗證據(jù)支持，目前還處于多理論并存階段。穿晶開裂斷口上的塑性特征來源于裂尖小體積塑性區(qū)內(nèi)位錯活動，因此氫如何影響塑性區(qū)內(nèi)位錯活動并導(dǎo)致開裂是該研究的關(guān)鍵爭論點。

針對這一困擾，西安交通大學(xué)單智偉研究團(tuán)隊提出裂尖塑性區(qū)中常見的位錯亞結(jié)構(gòu)（位錯墻、小角晶界等）可能發(fā)揮與常規(guī)晶界類似的作用，即吸收氫并轉(zhuǎn)變成弱結(jié)合狀態(tài)，從而促進(jìn)氫致開裂。針對這一設(shè)想，該團(tuán)隊利用原位環(huán)境透射電子顯微鏡對微納米尺寸的單晶鋁預(yù)制裂紋懸臂梁進(jìn)行了彎曲實驗，針對有氫和無氫環(huán)境比較研究了在裂尖實時生成的由位錯組成的小角晶界的開裂過程。更多精彩專業(yè)視頻 抖音搜索：材料科學(xué)網(wǎng)。

研究發(fā)現(xiàn)，相比于真空環(huán)境下預(yù)制裂紋較容易發(fā)生鈍化止裂，在氫氣氛中預(yù)制裂紋更容易沿該晶界形成新裂紋后擴(kuò)展。為進(jìn)一步解釋氫對小角晶界特性的影響，團(tuán)隊與武漢大學(xué)萬亮課題組合作，利用原子尺度模擬和計算發(fā)現(xiàn)，所形成的小角晶界可以強(qiáng)有力地捕獲氫原子，使氫原子在晶界處大量偏聚，晶界的結(jié)合強(qiáng)度由于晶界上高密度氫原子所產(chǎn)生的強(qiáng)HEDE效應(yīng)大幅降低。這些結(jié)果說明，在更一般的情況下，金屬多晶體材料中氫致穿晶裂紋的擴(kuò)展可以通過不斷地先在裂紋尖端塑性變形區(qū)動態(tài)地形成小角晶界并吸引氫原子在該晶界處偏聚，再由氫原子弱化晶界結(jié)合強(qiáng)度而促進(jìn)裂紋擴(kuò)展來進(jìn)行。

這一發(fā)現(xiàn)為金屬材料可以通過由局部塑性變形動態(tài)形成新的晶界后在該晶界產(chǎn)生穿晶裂紋的氫脆斷裂機(jī)制提供了實驗證據(jù)，有助于進(jìn)一步加深人們對于金屬材料中局部塑性變形在氫誘導(dǎo)穿晶開裂中所起作用的理解。

單晶鋁加載開裂過程示意圖

該研究以“Hydrogen enhanced cracking via dynamic formation of grain boundary inside aluminium crystal”為題在學(xué)術(shù)期刊 Corrosion Science 上發(fā)表，西安交通大學(xué)材料學(xué)院副教授解德剛為論文第一作者，單智偉教授為論文通訊作者，武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院副教授萬亮為共同通訊作者。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項目的支持。

論文鏈接：

https:///10.1016/j.corsci.2021.109307