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材料学院微纳中心在氢脆机理方面取得突破性进展

2016-11-04 09:17:26

不论是在宇宙中还是在地球上,氢都是最常见的元素。元素周期表中,氢是结构最简单、体积最小的原子,因而能轻易溶解进入许多固体材料中,改变材料性能。在众多的材料和性能中,金属基材料的力学性能受氢的影响最为严重,因而长期以来受到工业界和学术界的广泛关注。继2015年在自然-材料上发文揭示了金属合金/保护层之间氢致界面失效的新机制之后,材料学院微纳中心团队在氢致材料脆性的机理方面再次取得了重大突破,详细内容于2016113日发表在《自然-通讯》上。

金属由于其较高的强度和塑韧性而被广泛用作结构材料,然而,早在 1874年,英国皇家学会的Johnson就发现,铁丝在酸性溶液中浸泡一会儿之后,原本可承受十多次弯曲才能折断的铁丝,只需要两三下弯曲就被折断了。Johnson推测这可能是由于铁与酸反应生成的氢浸入铁内部而导致的。后来的几十年间,人们发现氢降低材料塑性发生在几乎所有重要的金属与合金中,是一个普遍的现象,并给这种现象起了一个专有名字:氢脆。氢脆会导致材料过早断裂,从而引发安全事故。历史上,很多轮船的断裂、直升机的坠毁、石化工厂的爆炸、油气田中的钻杆断裂等事故都和氢脆有着密切的关系。

尽管氢脆现象的发现已有上百年的历史,在世界范围内人们对材料发生氢脆的微观机理也进行了不懈探索,但截至目前仍没有达到共识。焦点在于基于宏观的试验和一些原位电子显微镜的观察,人们普遍认为氢对金属材料的塑性载体-位错不仅没有阻碍作用,甚至可以促进位错运动,但最近的模拟工作却预测了截然不同的结果。机理认知上的不足,直接影响到对氢脆现象的有效防护,从而威胁到人们的生产和生活安全。

图:循环应力作用下,金属铝中的位错在充氢之后运动停止。

在系统而全面的文献调研的基础上,单智伟研究团队的青年教师解德刚博士借助微纳中心特有的环境透射电镜与原位力学测试平台,以令人信服的证据确认了氢不仅能导致金属铝中的位错产生强烈钉扎,而且发现该过程可逆,即在停止供氢一段时间后,被钉扎的位错又可以在外力的作用下恢复运动能力。但出乎意料的是,这种钉扎作用需要将含氢材料静置几十分钟才有效,这与前人所预期的时间相差了至少三个量级,据此提出充氢原子与空位的结合体而不是氢原子本身在该过程中起到了主导作用。在李巨教授的指导下,李苏值博士对上述机制进行了计算机模拟计算,所得到结果与提出的机制高度吻合。上述发现颠覆了人们近三十年来的认知,期待对氢脆的预防起到积极的指导意义。

参与该工作的研究人员包括:西安交通大学微纳中心的解德刚博士、博士生李蒙、王章洁副教授、孙军教授和单智伟教授,麻省理工学院李巨教授、约翰霍普金斯大学马恩教授、卡斯鲁尔厄理工学院李苏植博后和Peter Gumbsch教授。

该研究工作受到国家自然科学基金(51231005,51401159,51321003)及其它项目的资助。

论文链接:http://www.nature.com/articles/ncomms13341


编辑:冯硕
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