編輯推薦：通過環境透射電子顯微鏡內的原位彎曲實驗并結合原子尺度模擬計算，西安交大材料學院單智偉研究團隊發現并提出在金屬鋁中由于局部塑性變形引發小角晶界的動態形成從而促進材料氫脆斷裂的新機制。

金屬的氫脆問題在各種工業應用中普遍存在，并經常導致關鍵金屬構件在無征兆情況下發生突然斷裂，引發安全事故。目前學術界對金屬氫脆現象雖然經歷了上百年的研究，但在微觀層面上，對許多關鍵機制性問題仍然缺少認知。金屬的氫脆斷裂類型按斷口特征通常分為沿晶開裂和穿晶開裂兩種。對于沿晶開裂的解釋，弱鍵理論（HEDE）提供了廣受認可的解釋，該理論認為氫原子在晶界上聚集到一定濃度能弱化晶界結合強度，促進開裂。而對于穿晶開裂，由于缺乏直接的微觀實驗證據支持，目前還處于多理論并存階段。穿晶開裂斷口上的塑性特征來源于裂尖小體積塑性區內位錯活動，因此氫如何影響塑性區內位錯活動并導致開裂是該研究的關鍵爭論點。

針對這一困擾，西安交通大學單智偉研究團隊提出裂尖塑性區中常見的位錯亞結構（位錯墻、小角晶界等）可能發揮與常規晶界類似的作用，即吸收氫并轉變成弱結合狀態，從而促進氫致開裂。針對這一設想，該團隊利用原位環境透射電子顯微鏡對微納米尺寸的單晶鋁預制裂紋懸臂梁進行了彎曲實驗，針對有氫和無氫環境比較研究了在裂尖實時生成的由位錯組成的小角晶界的開裂過程。更多精彩專業視頻 抖音搜索：材料科學網。

研究發現，相比于真空環境下預制裂紋較容易發生鈍化止裂，在氫氣氛中預制裂紋更容易沿該晶界形成新裂紋后擴展。為進一步解釋氫對小角晶界特性的影響，團隊與武漢大學萬亮課題組合作，利用原子尺度模擬和計算發現，所形成的小角晶界可以強有力地捕獲氫原子，使氫原子在晶界處大量偏聚，晶界的結合強度由于晶界上高密度氫原子所產生的強HEDE效應大幅降低。這些結果說明，在更一般的情況下，金屬多晶體材料中氫致穿晶裂紋的擴展可以通過不斷地先在裂紋尖端塑性變形區動態地形成小角晶界并吸引氫原子在該晶界處偏聚，再由氫原子弱化晶界結合強度而促進裂紋擴展來進行。

這一發現為金屬材料可以通過由局部塑性變形動態形成新的晶界后在該晶界產生穿晶裂紋的氫脆斷裂機制提供了實驗證據，有助于進一步加深人們對于金屬材料中局部塑性變形在氫誘導穿晶開裂中所起作用的理解。

單晶鋁加載開裂過程示意圖

該研究以“Hydrogen enhanced cracking via dynamic formation of grain boundary inside aluminium crystal”為題在學術期刊 Corrosion Science 上發表，西安交通大學材料學院副教授解德剛為論文第一作者，單智偉教授為論文通訊作者，武漢大學動力與機械學院副教授萬亮為共同通訊作者。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109307

來源：西安交大、Corrosion Science。