中國儲能網(wǎng)訊:不論是在宇宙中還是在地球上,氫都是最常見的元素。元素周期表中,氫是結(jié)構(gòu)最簡單、體積最小的原子,因而能輕易溶解進(jìn)入許多固體材料中,改變材料性能。在眾多的材料和性能中,金屬基材料的力學(xué)性能受氫的影響最為嚴(yán)重,因而長期以來受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。繼2015年在《自然-材料》上發(fā)文揭示了金屬合金/保護(hù)層之間氫致界面失效的新機(jī)制之后,材料學(xué)院微納中心團(tuán)隊(duì)在氫致材料脆性的機(jī)理方面再次取得了重大突破,詳細(xì)內(nèi)容于2016年11月3日發(fā)表在《自然-通訊》上。
金屬由于其較高的強(qiáng)度和塑韌性而被廣泛用作結(jié)構(gòu)材料,然而,早在 1874年,英國皇家學(xué)會的Johnson就發(fā)現(xiàn),鐵絲在酸性溶液中浸泡一會兒之后,原本可承受十多次彎曲才能折斷的鐵絲,只需要兩三下彎曲就被折斷了。Johnson推測這可能是由于鐵與酸反應(yīng)生成的氫浸入鐵內(nèi)部而導(dǎo)致的。后來的幾十年間,人們發(fā)現(xiàn)氫降低材料塑性發(fā)生在幾乎所有重要的金屬與合金中,是一個普遍的現(xiàn)象,并給這種現(xiàn)象起了一個專有名字:氫脆。氫脆會導(dǎo)致材料過早斷裂,從而引發(fā)安全事故。歷史上,很多輪船的斷裂、直升機(jī)的墜毀、石化工廠的爆炸、油氣田中的鉆桿斷裂等事故都和氫脆有著密切的關(guān)系。
盡管氫脆現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)已有上百年的歷史,在世界范圍內(nèi)人們對材料發(fā)生氫脆的微觀機(jī)理也進(jìn)行了不懈探索,但截至目前仍沒有達(dá)到共識。焦點(diǎn)在于基于宏觀的試驗(yàn)和一些原位電子顯微鏡的觀察,人們普遍認(rèn)為氫對金屬材料的塑性載體-位錯不僅沒有阻礙作用,甚至可以促進(jìn)位錯運(yùn)動,但最近的模擬工作卻預(yù)測了截然不同的結(jié)果。機(jī)理認(rèn)知上的不足,直接影響到對氫脆現(xiàn)象的有效防護(hù),從而威脅到人們的生產(chǎn)和生活安全。
圖:循環(huán)應(yīng)力作用下,金屬鋁中的位錯在充氫之后運(yùn)動停止
在系統(tǒng)而全面的文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上,單智偉研究團(tuán)隊(duì)的青年教師解德剛博士借助微納中心特有的環(huán)境透射電鏡與原位力學(xué)測試平臺,以令人信服的證據(jù)確認(rèn)了氫不僅能導(dǎo)致金屬鋁中的位錯產(chǎn)生強(qiáng)烈釘扎,而且發(fā)現(xiàn)該過程可逆,即在停止供氫一段時(shí)間后,被釘扎的位錯又可以在外力的作用下恢復(fù)運(yùn)動能力。但出乎意料的是,這種釘扎作用需要將含氫材料靜置幾十分鐘才有效,這與前人所預(yù)期的時(shí)間相差了至少三個量級,據(jù)此提出充氫原子與空位的結(jié)合體而不是氫原子本身在該過程中起到了主導(dǎo)作用。在李巨教授的指導(dǎo)下,李蘇值博士對上述機(jī)制進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算,所得到結(jié)果與提出的機(jī)制高度吻合。上述發(fā)現(xiàn)顛覆了人們近三十年來的認(rèn)知,期待對氫脆的預(yù)防起到積極的指導(dǎo)意義。
參與該工作的研究人員包括:西安交通大學(xué)微納中心的解德剛博士、博士生李蒙、王章潔副教授、孫軍教授和單智偉教授,麻省理工學(xué)院李巨教授、約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授、卡斯魯爾厄理工學(xué)院李蘇植博后和Peter Gumbsch教授。該研究工作受到國家自然科學(xué)基金(51231005,51401159,51321003)及其它項(xiàng)目的資助。




