Science重磅：單一氫原子在鐵素體氫陷阱中的原子尺度上的三維觀察

【引言】

由于氫原子的引入造成材料韌塑性劇烈損失的效應稱為氫脆，其主要與材料內部中的可擴散氫與材料的交互作用有關。氫脆現象非常普遍，尤其是高強金屬材料中，給人類生活帶來重大損失和災難。 預防氫脆目前主要體現在三個方面：（1）從源頭上禁止氫的引入，如制造過程中的退火脫氫；（2）使用過程中避免氫的進入，如抑氫涂層；（3）通過材料成分結構設計，使已經進入材料的氫成為不可擴散氫，從而不體現出氫脆效應。本文通過實驗，從原子尺度上直接觀察并證明鐵素體鋼中的碳化物，可以成為有效俘獲可擴散氫的氫陷阱，從而提高材料的抗氫脆敏感性能。

【成果簡介】

近日，由來自牛津大學的D. Haley（通訊作者）等在Science上發表了一篇名為“Direct observation of individual hydrogen atoms at trapping sites in a ferritic steel”的文章。文中，研究人員在微觀尺度上研究鐵素體鋼中的碳化物與氫的相互作用時，摒除傳統研究方法和設備的各種限制和干擾，對鐵素體鋼采用氘（D）代替同位素氫（H）作為引入的氫源，并在低溫下傳輸以此“固化”氫防止其擴散，然后再借助新型原子探針層析技術(APT) ，進而實現從原子尺度上對鐵素體鋼中碳化物和單個氫原子在三維分布上的高分辨直接觀察。結果顯示，引入的氫原子主要俘獲于碳化物核心附近，即表明鐵素體中的碳化物可以成為氫的有效陷阱，從而提高抗氫脆敏感性能。

【圖文導讀】

圖1. 實驗所用鐵素體鋼

（a）實驗用鐵素體鋼（Fe-0.096C-1.6Mn-0.026Si-0.51Mo-0.25V-0.05Al-0.056Nb (wt%) ）的TEM明場像圖。從中可看出，碳化物在鐵素體中較精細均勻分布。

（b）所含碳化物(VC表示)中V元素在鐵素體鋼中三維(3D)分布APT圖。其中藍色原點表示鈁(V)元素，代表碳化物。

（c）距離碳化物/基體界面不同位置處各元素含量分布曲線。包括Fe, V, Mo, C四元素，為了便于觀察，極少量的Nb未顯示。

圖2. 引入氫源“氘”(D)后鐵素體鋼APT圖

（a）引入氫源“氘”（D/(或表示為)²H）后鐵素體鋼中碳化物和氫源“氘”（D/²H）在三維（3D），xy，yz方向上的的分布APT圖。紅色原點表示氫源“氘”（D），即質譜圖中的紅色峰（D/²H），藍色原點表示V元素，即碳化物。從中可以看出，引入的氫源“氘”（D/²H）在三維方向上都主要分布在碳化物附近。

（b）H/D質譜圖。

圖3. 充氘碳化物的聯合分析

為解決碳化物陷阱中的氘（D）是處在與碳化物的界面處附近還是進入了碳化物顆粒內部的爭端，特意進一步研究了氘（D）與碳化物顆粒間的相對位置。為此將所有含超過100個總原子數的碳化物顆粒進行疊加和歸一化分析，得到碳化物中氘（D）所占原子比為0.5%時得到的碳化物顆粒輪廓。依據如果氘（D）被限制在碳化物表面的界面區域，則會會呈現U形輪廓這一結論，但實驗歸一化結果并未顯示如此。這一結果與先前Ohnuma et al相反，但與Malard et al.研究結果卻相似，Malard et al認為10%原子比的氫進入了顆粒內部。而本實驗結果顯示最多只有0.6%，此處認為可能與實驗過程中氫的逸散有關。

【小結】

本文通過改變以往關于氫脆的傳統研究方法和表征技術，對鐵素體鋼采用氘（D）代替同位素氫（H）作為氫源，并通過低溫傳輸來防止氫擴散，并借助新型原子探針層析技術(APT) ，進而實現對鐵素體鋼中碳化物和單個氫原子在三維分布上的高分辨直接觀察。證明了鐵素體中的碳化物可以成為氫的陷阱，從而提高抗氫脆敏感性能。另外，還對碳化物俘獲的氫原子在碳化物顆粒核心所處的位置進行了初步探討，并提出本實驗研究方法和表征技術在其他氫陷阱（如晶粒和晶界）及其他研究材料體系（鎳基高溫合金材料、鈦合金，奧氏體鋼等）中的研究通用性。

【文獻信息】

文獻鏈接：Direct observation of individual hydrogen atoms at trapping sites in a ferritic steel (Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal2418)

本文由材料人編輯部金屬材料學術組彭黃濤供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部金屬材料學術交流群（458281221）！材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com

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