單晶鐵氫脆微觀損傷機理的原位定量研究

《單晶鐵氫脆微觀損傷機理的原位定量研究》是依託西安交通大學，由王章潔擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：單晶鐵氫脆微觀損傷機理的原位定量研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王章潔
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

氫脆是指金屬材料在氫氣的影響下，於低應力下發生脆斷的現象。由於氫脆可能造成災難性的事故，人們對該現象的研究已有上百年的歷史並積累了豐富的知識。但是就氫脆的微觀損傷機理而言，儘管人們提出了多種機制，但是由於技術條件的限制，多局限於唯象、定性的解釋，並且這些機理本身缺乏直接定量的實驗證據。這極大地限制了人們對氫脆本質的理解以及對該現象的有效防護。本項目擬以獨特的環境透射電子顯微鏡和定量的透射電鏡納米力學測試儀為主要研究手段，系統定量地研究單晶鐵在氫氣氛圍下的彈塑性行為、裂紋形核和擴展行為，結合分子動力學分析氫對原子鍵合力、位錯形核和運動臨界應力的影響，根據裂尖位錯結構和裂紋形貌的演化規律，揭示單晶鐵氫脆微觀損傷機理，期望此基於實驗的單晶鐵氫脆微觀損傷機理為金屬材料在富氫環境下的安全服役和抗氫脆材料的設計奠定堅實的實驗基礎和理論基礎。

結題摘要

金屬材料在富氫環境中易發生損傷與斷裂，例如氫會導致材料在低應力下發生脆斷，會導致金屬與其氧化物界面失效。人們很早就觀察到氫會導致材料性能惡化的現象，但是由於技術條件的限制,對其微觀損傷機理多局限於唯象、定性的解釋,極大限制了人們對氫致材料性能改變本質的理解以及對該現象的有效防護。具體研究成果如下: 本項目以獨特的環境透射電子顯微鏡和納米力學測試儀為主要研究手段,系統定量地研究了單晶鐵和單晶鋁在氫氣氛圍下的彈塑性行為，結合分子動力學模擬技術，揭示了含氫空位對單晶鋁中的位錯運動的阻礙作用及其內在機理，不同的是，當體心立方結構的單晶鐵中未形成大量的含氫空位時，氫可以促進螺位錯扭折的形核進而促進螺位錯的運動。另外對單懸臂樑的單晶鐵與單晶鋁進行了彎曲實驗，含氫的單晶鐵和單晶鋁都出現了脆性開裂，但其物理機理存在一定的差異，提示我們在設計抗氫脆材料時需要針對不同的材料進行具體設計。 對於絕大多數金屬製品在實際使用出現的氫鼓泡氧化層脫落現象，傳統的表面鼓泡理論只能解釋氣泡的生長，對於氣泡的形核則缺乏理論及實驗證據，對其原子尺度的機理一直不甚明了，本項目採用微納尺度的金屬鋁圓柱體，通過環境透射電子顯微鏡觀察氫氣氛圍下金屬和氧化物界面的動態演化過程，揭示了氫導致單晶鋁及其氧化物界面損傷的物理過程，並發現了氫致表面氧化物鼓泡的晶向依賴性，有益於選擇合適的金屬基底取向，對界面進行有目的改性等可有效減緩甚至防止氫致界面失效的發生。 本項目的研究發現為揭示金屬氫脆機理提供了理論基礎，期待對氫脆的預防起到積極的指導意義，填補了氫致界面失效現象起源的實驗和理論空白，有助於人們尋找防止氫致界面失效的方法，提高材料在含氫環境中的服役壽命，為金屬材料在富氫環境下的安全服役和抗氫脆材料的設計奠定堅實的實驗基礎和理論基礎。