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中山大学Scr. Mater.:氢脆机理新认识!重新审视“氢促滑移共面性”理论

氢脆(HE)通过氢与晶格缺陷的相互作用破坏金属构件的结构完整性,是氢能源基础设施部署面临的最持久技术障碍。尽管已提出氢增强局部塑性变形(HELP)、弱键理论(HEDE)、氢增强应变诱导空位(HESIV)以及HELP+HEDE复合模型等机制,但这些理论仍存在重大争议。

许多研究者将HE现象归因于氢抑制位错的交滑移,即“氢促滑移共面性”理论。该理论主要是以“氢增大滑移带宽度和高度”作为实验证据。然而,滑移带是位错演化在样品表面的凸起,而样品表面的位错演化与芯部是不同步的。此外,在比较氢对滑移带特征的影响时,未考虑晶体取向的影响,降低了“氢促滑移共面性”这一结论的科学严谨性。

近期,中山大学的研究团队从晶体取向效应和表-体位错行为差异两个关键角度出发,对金属氢脆中被广泛引用的“氢促滑移共面性”理论进行了再探讨。相关研究成果以“Revisiting hydrogen-enhanced slip planarity in Ni”为题发表在《Scripta Materialia》。研究团队首先基于晶体取向关联性的滑移带宽度统计分析表明,充氢对纯Ni表面滑移带宽度几乎没有影响;其次基于晶体取向关联性的位错集群行为研究表明,充氢促进了位错胞的演化速率,产生了尺寸显著更小的位错胞,位错胞的产生依赖于交滑移,因此可以认为氢反而是促进了纯Ni中的交滑移;最后综合对比研究了Ni-H和Ni-Cr体系的力学性能、断裂形式、位错组态以及应力松弛行为(位错激活体积),发现促进平面滑移和脆性断裂之间没有必然的联系。

图1 不同取向纯Ni晶粒在充氢前后的滑移带特征

图2 不同取向纯Ni晶粒在充氢前后的滑移带宽度统计

图3 充氢前后不同取向纯Ni晶粒的位错组态(应变0.16)[ref. 40]:(a) (b) [100],(c) (d) [110],(e) (f) [111]

图4 Ni, Ni-H, Ni-Cr的拉伸曲线

图5 Ni和Ni-Cr的位错组态(应变0.13):(a) (b) [100],(c) (d) [110],(e) (f) [111]

表1 Cr与H对Ni的层错能、位错密度、位错激活体积、滑移平面性及断裂模式影响的比较

HDecreased SFEBrittle fracture
Increased dislocation density
Decreased activation volume
Non-promoted slip planarity
CrDecreased SFEDuctile fracture
Increased dislocation density
Decreased activation volume
Promoted Slip planarity
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