近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授王帅课题组通过聚焦离子束加工和晶带轴明场成像技术（zone-axis diffraction contrast STEM）对低碳钢疲劳裂纹尖端附近的位错组织进行了观察，成功从位错的角度证明了在氢气中的疲劳裂纹尖端具有更高的流变应力和范围更广的强塑性区。该成果近日发表在金属材料领域权威学术期刊《Acta Materialia》上。

图1.左：氢环境中细化的等轴的位错组；右：流变应力增加，塑形区变大

氢原子极易侵入金属，对氢气环境下金属材料的力学性能进行“降维打击”，加速疲劳裂纹扩展，减少材料寿命。这种现象被称为氢脆，是氢能产业发展面临的巨大挑战之一。在某些高强钢在氢气中的裂纹扩展速率是其在空气中的900多倍，很容易造成灾难性事故。理解氢与材料的相互作用不仅可以促进相关学科的进步，也对氢能源产业的进步有重要的意义。

为了深入理解氢脆的机理，通过原位环境透射电子显微镜观察和力学性能测试，大量的研究已经总结出了氢对离散位错行为的影响机制。然而，人们尝试解决氢脆问题已经140多年了，对氢对位错的集群行为（位错组态）的影响依然知之甚少。在较高应变水平下发生的位错组织结构的演化过程，以及这些微观变化最终如何导致宏观的氢致开裂还是个未解之谜。王帅介绍道，在与氢脆这一难题进行的旷日持久的“战争”中，有一段时间甚至几乎已经放弃，在工程中花大量的精力和价钱去除氢以避开容易氢脆的材料体系。然而，氢能源汽车和相关产业的兴起使这种“置之不理”的策略逐渐失效，迫使学界不得不直面这个问题，因为不知道这种力学行为的机理就没办法防止和抵抗高压氢气带来的安全问题。王帅表示，基础科学问题的研究就是这样，不一定会立刻得到解决或者产生效益，但是其中蕴含的真理会一直存在，直到有一天对产业的发展产生巨大的影响。

为了理解裂纹尖端的变形过程与宏观参数（例如应力强度因子范围）之间的关系，王帅课题组首先需要了解裂纹前的演化微观结构状态。此前的研究大部分都是通过滑移痕迹、表面破坏的形态、DIC以及使用背散射电子衍射等技术分析晶体取向来评估裂纹扩展时的变形过程。这些分析往往假定在表面上观察到的特征可以反映内部塑性变形的全部特征。

然而，并不是在所有的情况下这种假设都能成立，氢对裂纹前端塑性变形的影响就是一个例外。氢对疲劳裂纹的扩展有促进作用，但是这一过程的内在机理现在还缺乏共识。既有研究通过观察裂纹前端滑移痕迹的间距、数量和影响范围等，直观地认为氢的存在减小了裂纹前端塑性区的大小。但是，最近的电镜研究证明了高应变水平下位错组织的复杂性，特别是距裂纹尖端几微米内的位错组织特征无法与表面滑移痕迹的形态一一对应，可能存在“金玉其外，败絮其中”的情况。这就使得通过表面表征数据评估整体塑性的结果需要谨慎解释。因此，有必要对距离裂纹尖端不同距离的位错形态进行观察和评价，通过联系微观组织变化和宏观力学行为，分析氢对裂纹前端应力状态的演化，获得氢促进疲劳裂纹扩展的机理。

图2.在没有氢的情况下裂纹尖端前面的位错组织：（a）在空气中距离裂纹尖端约10µm；（b）在空气中距离裂纹尖端约33µm；（c）在空气中距离裂纹尖端约56µm；（d）在空气中距离裂纹尖端~35µm并于裂纹路径呈38度角

图3.在存在氢的情况下裂纹尖端前的位错组织：（a）氢气中距离裂纹尖端约11µm；（b）氢气中距离裂纹尖端约31µm；（c）氢气中距离裂纹尖端约52µm；（d）氢气中距离裂纹尖端约81µm；（e）氢气中距离裂纹尖端约104µm；（f）（a）中虚线框内的晶体学取向分布图，通过ASTAR透射衍射图样分析获得，结果显示箭头所示处是一段沿晶裂纹

王帅说，团队在研究中没有迷信既有结论，大胆挑战以前通过表面形貌判断内部变形情况的研究。团队选择通过聚焦离子束加工和晶带轴明场成像技术（zone-axis diffraction contrast STEM）在扫描透射电镜下对空气和高压氢气环境下（40MPa）相同应力强度因子范围的低碳钢疲劳裂纹尖端附近的位错组织进行了观察，并对其种类、形态和特征尺寸进行了定性和定量分析。研究结果显示，氢气环境中的金属受到的破坏其实是从内部组织的变化开始的。空气中疲劳裂纹尖端位错组织以拉长的位错胞状组织和迷宫状组织的形式存在，位错组织化行为在距离裂纹约56µm处开始消失，而氢气环境中位错胞状组织更小并多为等轴形状，位错组织的存在范围延伸到约104µm。团队通过位错组织特征尺寸评估了裂纹尖端的流变应力分布状态，结合电镜观察结果，成功从位错的角度证明了在氢气中的疲劳裂纹尖端具有更高的流变应力和范围更广的强塑性区。

研究还证实了对于不同环境中疲劳裂纹尖端应力分布与距离ln(1/x)线性关系的预测，证明表明氢气环境中裂纹尖端的位错组织演化过程可能与空气中的演化过程相近，但是氢环境下整个位错演化过程都被促进了。研究结果不仅对氢脆机理的研究有重大意义，也对发展连续介质模型预测材料的软化和硬化的理论体系具有一定的参考价值。

王帅为该工作第一作者和通讯作者，论文主要由南方科技大学、美国威斯康辛大学-麦迪逊分校、日本JFE、美国伊利诺伊大学厄班纳-香槟分校共同完成。共同通讯作者为威斯康辛大学-麦迪逊分校Ian M. Robertson教授，共同作者还包括日本JFE的Akihide Nagao博士和伊利诺伊大学厄班纳-香槟分校Petros Sofronis教授。研究还得到了日本九州大学国际低碳能源研究中心的帮助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.05.028

供稿：机械与能源工程系

编辑：刘馨

主图：丘妍

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