南科大王帅团队最新研究成果进一步揭示金属氢脆机理
2023年01月17日 浏览量 :336

近日,南方科技大学机械与能源工程系副教授王帅团队在金属氢脆机理方面取得研究进展,相关论文以“Hydrogen-prompted heterogeneous development of dislocation structure in Ni”为题发表在金属领域顶刊Acta Materialia。研究团队系统地研究了充氢和不充氢多晶镍中不同取向晶粒( [100]、[110]和[111])位错结构的演化,提升了对氢脆机理的进一步认识。

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在全球绿色经济社会转型的推动下,氢能、核能、航空航天等行业迅速发展,越来越多的设备部件需要在严苛的含氢环境中服役。常见含氢服役环境包括高压氢气、液氢、高压高温状态的水或盐溶液、核反应副产物等。这些环境普遍存在于氢能、核能、航空航天等领域的重大装备中。氢的存在会导致这些装备中的关键材料提前失效,被称为“氢脆”, 表现为强度和韧性降低、疲劳寿命减少、突发沿晶断裂等。氢脆是具有隐蔽性、延迟性和突发性的失效行为,一旦发生往往带来灾难性的事故和巨大经济损失,对公共安全具有极大危害性。只有了解氢脆的机理,才能控制氢脆现象。

氢脆于1875年被发现,虽然经过了一个半世纪的实验和理论研究,还存在很多未解难题。目前氢脆理论指出氢的存在会加速位错的演化,促进材料过早达到其可承受塑性变形的极限,是导致氢脆失效的主要原因。然而,氢促进的位错演化与断裂过程之间的联系仍不清楚,揭示氢对位错演化的影响对于全面理解氢脆的物理过程至关重要。其中一个关键的问题是氢对位错演化是否与晶体取向相关,若相关,则可以在制造过程中通过设计金属晶体取向,提升金属在氢环境中的兼容性。

为了回答这一问题,南方科技大学王帅团队精心设计了跨尺度的试验路线和表征手段,避免诸如表面效应、应变水平、应变速率、氢浓度和合金杂质等混杂因素对实验结果的影响,系统的研究了[100]、[110]和[111]取向的充氢与未充氢纯镍晶粒的位错演化。图1和2展示了无氢和含氢样品的不同应变量(8.3%、16.0%)和不同氢含量下(1200 appm、400 appm)的微观组织,可以明显的看到氢的存在促进了位错的演化。证明了氢不仅位错胞状组织,还会细化胞块组织。通过定量对比位错密度和位错组态单元尺寸(图3),研究结果证明了氢对位错组态演化的促进作用在不同取向的晶粒中是不同的,促进程度从高到低遵循[100] > [111] > [110]的顺序。研究揭示了氢对位错演化促进作用与取向相关,并建立了其与提前失效的关系。这些发现为抗氢脆金属部件的设计和制造提供了新的路线与理论指导。

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图1 未充氢和含氢1200 appm的纯镍变形到8.3%应变后的不同取向晶体内的位错组织:a1未充氢[100]附近晶粒,b1充氢后[100]附近晶粒;a2未充氢[110]附近晶粒,b2充氢后[110]附近晶粒;a3未充氢[111]附近晶粒,b3充氢后[111]附近晶粒。

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图2 未充氢和含氢400 appm的纯镍变形到16.0%应变后的不同取向晶体的位错组织:a1未充氢[100]附近晶粒,b1充氢后[100]附近晶粒;a2未充氢[110]附近晶粒,b2充氢后[110]附近晶粒;a3未充氢[111]附近晶粒,b3充氢后[111]附近晶粒。 

图片 4.png图3 定性和定量地确定了氢促进位错演化的晶体取向相关性

南方科技大学机械与能源工程系王帅副教授为论文通讯作者,机械与能源工程系博士后(现中山大学助理教授)孙擎擎为论文第一作者,博士生何旌为第二作者。该项目得到了国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会和南方科技大学分析测试中心的大力支持。

 

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118660

 

供稿:机械与能源工程系

通讯员:邓苏


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