Nat. Comm. 高强钢中纳米析出相界面氢捕获行为的原子机理

钢铁侠 2年前 (2022-08-03) 2102浏览

导读

氢原子是半径最小的原子之一，很容易渗入材料中，使材料在低于其屈服强度或塑性变形能力的条件下发生脆性断裂，极大危害材料的服役安全。一般来说，材料强度越高对氢越敏感，因此高强钢研发和服役过程中需要关注“氢脆”问题。前期研究表明，弥散分布在金属材料基体中的纳米析出相除了能强化材料外，也可能捕获氢，进而减少材料中可扩散氢的含量，起到提升材料抗氢能力的效果。然而，纳米析出相捕获氢的微观机理目前仍缺乏明确的实验证据；另外，对于非共格纳米析出相，由于其与基体的非共格界面结构多样且复杂，对氢的捕获行为和机制也存在争议。

成果介绍

近日，北京滚球体育大学材料基因工程高精尖中心乔利杰教授团队和南京理工大学材料科学与工程学院/格莱特研究院陈光院士团队合作，通过扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）首次原位探测了单个非共格纳米析出相界面捕获氢原子的行为。结果表明，不是所有的析出相都有助于抗氢脆，有些非共格界面捕获氢原子，而有些非共格界面排斥氢原子。球差校正扫描透射电子显微镜进一步表征了上述不同行为特征对应的界面原子尺度结构和化学特征，表明纳米析出相表面的碳/硫空位和界面近邻基体的弹性拉应变场很可能是决定非共格界面捕获氢原子行为的关键因素。研究成果以“Atomic-scale insights on hydrogen trapping and exclusion at incoherent interfaces of nanoprecipitates in martensitic steels（马氏体钢中纳米析出相非共格界面氢捕获和排斥行为的原子尺度见解）”为题发表在国际知名期刊Nature Communications上。本工作得到了国家自然科学基金（U1706221，52071022,51571117,52171002）的大力支持。

图文概览

1.原位SKPFM方法和结果

图1.马氏体钢中纳米析出相的原子力显微镜形貌图和扫描开尔文探针力显微镜实验过程示意图。

图2.氢-纳米析出相相互作用的原位扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）表征。a-d&f-i在未充氢和充氢后不同时间测量的纳米相1#和3#的电势图；e沿图a，d中黄色虚线的电势分布；j沿图f，i中黄色虚线的电势分布。图中所有比例尺为200 nm。注：纳米相周围的暗环和亮环分别表明了其捕获氢和排斥氢的行为。