单智伟、解德刚等发现金属氢脆断裂的新机制

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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，对许多关键机制性问题上仍然缺少认知。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。

图1 单晶铝加载开裂过程示意图

       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。
        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》（IF=6.479）上发表，西安交通大学材料学院副教授解德刚为论文的第一作者，单智伟教授为论文的通讯作者，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(编号：2017YFB0702001)、国家自然科学基金(编号：51971169和51701151)、国家外专局111计划、中央高校基本科研业务费项（编号：2042019kf0036和2042020gf0006）等项目的支持。
       论文链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109307


         文章来源：西安交通大学材料科学与工程学院
       单智伟，西安交通大学教授。1996年毕业于吉林大学材料与科学工程专业；1999年在中国科学院金属研究所获硕士学位；2001年赴美就读于美国匹兹堡大学机械工程系并于2005年获博士学位。2005 -2006年在位于美国劳伦兹国家实验室的美国国家电镜中心从事博士后研究工作。2006年加盟世界著名的纳米力学设备制造公司-Hysitron，并先后受聘为资深研究员、真空部门经理和Hysitron公司应用研究中心主任。2008年开始与西安交通大学开展合作，2010年正式加入西安交通大学。教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者，百千万人才工程入选者，亚太材料科学院院士。现任西安交通大学材料科学与工程学院院长。2010年正式全职回国后，先后筹建创立“微纳尺度材料行为研究中心”，“Hysitron中国应用研究中心”及“西安交大-日立研究中心”等三个国际化研究中心和一个省级中心，即“陕西省镁基新材料工程中心”。学术任职包括国务院学位委员会第七届学科评议组（材料科学与工程组）成员，教育部高等学校材料类专业教学指导委员会委员，《中国材料进展》杂志副主编，2018美国材料学会期刊（MRS Bulletin）和《材料科学技术（英文版）》第五届编委会委员，中国电镜学会常务理事及聚焦离子束专业委员会主任，第四届国家新材料产业发展战略咨询委员会战略委员。
        解德刚博士现任西安交通大学先进材料纳米性能研究中心教师，2016年博士毕业于西安交通大学材料专业，2011-2012年在美国麻省理工学院（MIT）进行联合培养。目前主要从事氢致界面失效现象的机理与起源的透射电子显微镜原位观察测试研究。相关研究成果在Nature Materials，Applied Physics Letters等杂志上发表文章多篇。