西工大李金山教授团队顶刊 IJP：一种考虑晶界氢扩散的晶体塑性模型

钢铁侠 8个月前 (09-19) 1594浏览

一、导读

为助力实现碳达峰、碳中和目标，深入推进能源生产和消费革命，氢能逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。我国发改委及国家能源局发布了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》，期望于2035年形成氢产业体系。然而氢原子会降低暴露于其中的金属构件的力学性能及服役寿命，进而限制着氢储运以及氢能的广泛应用，这种现象被称为氢脆（HE）。由于氢原子非常小，采用常规实验手段研究氢分布以及氢与材料各种微观结构的交互作用受着严重的制约。晶体塑性有限元方法（CPFEM）具有可以方便预测材料微观组织与氢扩散行为的独到优势，是研究氢环境下多晶合金内部不均匀变形、损伤累积及断裂等行为的有效手段。因此，建立合适的耦合氢扩散的晶体塑性本构模型研究多晶合金的氢扩散行为，并结合相场断裂模型预测断裂过程，是实现抗氢脆合金组织设计与性能预测的关键问题。

二、研究成果简介

凝固技术国家重点实验室李金山教授团队，联合南京航空航天大学赵利果教授团队，以单晶及多晶纯镍为研究对象，针对各类晶界对氢原子加速与捕获行为进行了定量化描述，建立了晶界能依赖的耦合氢扩散的非局部晶体塑性本构模型。本工作通过单晶及多晶镍在有/无氢条件下的拉伸曲线确定了晶界影响区平均强度及镍的晶体塑性本构参数。并引入晶界空间取向、取向差及界面能等关键参数，建立了晶界影响区及晶内区域的氢扩散平衡方程，定量考虑了晶界与氢原子的交互作用及氢对材料加工硬化的影响。将改进后的本构模型应用于双晶/多晶镍的应力辅助氢偏析行为模拟计算中，为材料内部氢分布特征的预测提供了更加具体的指导。并考虑相场断裂模型进行了氢致裂纹扩展行为的模拟，验证了氢脆断裂过程中的裂纹扩展及合并过程。为介观尺度下预测材料在氢环境下服役寿命、设计抗氢脆组织合金、晶界工程提供了新思路，具有重要的应用前景。

相关研究以“A hydrogen diffusion model considering grain boundary characters based on crystal plasticity framework”为题发表在塑性领域国际顶级期刊International Journal of Plasticity (DOI: 10.1016/j.ijplas.2023.103740)。该论文通讯作者为凝固技术国家重点实验室李金山教授，唐斌教授，南京航空航天大学赵利果教授，第一作者为博士研究生李凯迪。该工作获得国家科技重大专项(J2019-VI-0023-0140)以及国家重点研发计划(2021YFB3702604)的资助和支持。