单晶铁氢脆微观损伤机理的原位定量研究

Being unexpected and catastrophic, hydrogen embrittlement (HE) has been considered to be one of the most dangerous failure modes of metals. Under current global energy crisis background, the strong need for HE resistant materials in supporting hydrogen-based energy economy is pushing the researches on HE to a new level. Despite the long history and extensive research, the microscopic damage mechanism involved in hydrogen embrittlement is lack of experimental evidence and hard to explain all the experimental macroscopic brittle failure. Contributing to this situation is mainly due to the challenge of experimental technique and their lack of direct linkage to the macroscopic failure of HE. One promising way to solve the problem is to carry out advanced experimental work so that the microstructures can be probed in situ and quantitatively.. In our proposal, we will introduce a unique nanomechanical testing technique in environmental transmission electron microscope (TEM), which allows conducting experiments in a desired gas environment instead of vacuum. We plan to systematically study hydrogen effect on the elastic behavior, dislocation related plastic behavior as well as crack nucleation and propagation in single crystal iron. Through thorough analysis of experimental results, we aim to achieve the effect of hydrogen on the iron atom bond strength and the critical stress of dislocation nucleation and motion. Combined with in situ monitoring the microstructural deformation processes leading to failure, we aim to unveil the possible microscopic damage mechanisms that can establish the connection to macroscopic failure in bulk materials. Our research is expected to provide a solid experimental base and theoretical guidance for designing structural components and embrittlement-resistant materials.

氢脆是指金属材料在氢气的影响下，于低应力下发生脆断的现象。由于氢脆可能造成灾难性的事故，人们对该现象的研究已有上百年的历史并积累了丰富的知识。但是就氢脆的微观损伤机理而言，尽管人们提出了多种机制，但是由于技术条件的限制，多局限于唯象、定性的解释，并且这些机理本身缺乏直接定量的实验证据。这极大地限制了人们对氢脆本质的理解以及对该现象的有效防护。本项目拟以独特的环境透射电子显微镜和定量的透射电镜纳米力学测试仪为主要研究手段，系统定量地研究单晶铁在氢气氛围下的弹塑性行为、裂纹形核和扩展行为，结合分子动力学分析氢对原子键合力、位错形核和运动临界应力的影响，根据裂尖位错结构和裂纹形貌的演化规律，揭示单晶铁氢脆微观损伤机理，期望此基于实验的单晶铁氢脆微观损伤机理为金属材料在富氢环境下的安全服役和抗氢脆材料的设计奠定坚实的实验基础和理论基础。

金属材料在富氢环境中易发生损伤与断裂，例如氢会导致材料在低应力下发生脆断，会导致金属与其氧化物界面失效。人们很早就观察到氢会导致材料性能恶化的现象，但是由于技术条件的限制,对其微观损伤机理多局限于唯象、定性的解释,极大限制了人们对氢致材料性能改变本质的理解以及对该现象的有效防护。具体研究成果如下:. 本项目以独特的环境透射电子显微镜和纳米力学测试仪为主要研究手段,系统定量地研究了单晶铁和单晶铝在氢气氛围下的弹塑性行为，结合分子动力学模拟技术，揭示了含氢空位对单晶铝中的位错运动的阻碍作用及其内在机理，不同的是，当体心立方结构的单晶铁中未形成大量的含氢空位时，氢可以促进螺位错扭折的形核进而促进螺位错的运动。另外对单悬臂梁的单晶铁与单晶铝进行了弯曲实验，含氢的单晶铁和单晶铝都出现了脆性开裂，但其物理机理存在一定的差异，提示我们在设计抗氢脆材料时需要针对不同的材料进行具体设计。. 对于绝大多数金属制品在实际使用出现的氢鼓泡氧化层脱落现象，传统的表面鼓泡理论只能解释气泡的生长，对于气泡的形核则缺乏理论及实验证据，对其原子尺度的机理一直不甚明了，本项目采用微纳尺度的金属铝圆柱体，通过环境透射电子显微镜观察氢气氛围下金属和氧化物界面的动态演化过程，揭示了氢导致单晶铝及其氧化物界面损伤的物理过程，并发现了氢致表面氧化物鼓泡的晶向依赖性，有益于选择合适的金属基底取向，对界面进行有目的改性等可有效减缓甚至防止氢致界面失效的发生。. 本项目的研究发现为揭示金属氢脆机理提供了理论基础，期待对氢脆的预防起到积极的指导意义，填补了氢致界面失效现象起源的实验和理论空白，有助于人们寻找防止氢致界面失效的方法，提高材料在含氢环境中的服役寿命，为金属材料在富氢环境下的安全服役和抗氢脆材料的设计奠定坚实的实验基础和理论基础。