Nat. Comm. 高強鋼中納米析出相界面氫捕獲行為的原子機理
導讀
氫原子是半徑最小的原子之一，很容易滲入材料中，使材料在低于其屈服強度或塑性變形能力的條件下發生脆性斷裂，極大危害材料的服役安全。一般來說，材料強度越高對氫越敏感，因此高強鋼研發和服役過程中需要關注“氫脆”問題。前期研究表明，彌散分布在金屬材料基體中的納米析出相除了能強化材料外，也可能捕獲氫，進而減少材料中可擴散氫的含量，起到提升材料抗氫能力的效果。然而，納米析出相捕獲氫的微觀機理目前仍缺乏明確的實驗證據；另外，對于非共格納米析出相，由于其與基體的非共格界面結構多樣且復雜，對氫的捕獲行為和機制也存在爭議。
成果介紹
近日，北京科技大學材料基因工程高精尖中心喬利杰教授團隊和南京理工大學材料科學與工程學院/格萊特研究院陳光院士團隊合作，通過掃描開爾文探針力顯微鏡（SKPFM）首次原位探測了單個非共格納米析出相界面捕獲氫原子的行為。結果表明，不是所有的析出相都有助于抗氫脆，有些非共格界面捕獲氫原子，而有些非共格界面排斥氫原子。球差校正掃描透射電子顯微鏡進一步表征了上述不同行為特征對應的界面原子尺度結構和化學特征，表明納米析出相表面的碳/硫空位和界面近鄰基體的彈性拉應變場很可能是決定非共格界面捕獲氫原子行為的關鍵因素。研究成果以“Atomic-scale insights on hydrogen trapping and exclusion at incoherent interfaces of nanoprecipitates in martensitic steels（馬氏體鋼中納米析出相非共格界面氫捕獲和排斥行為的原子尺度見解）”為題發表在國際知名期刊Nature Communications上。本工作得到了國家自然科學基金（U1706221，52071022,51571117,52171002）的大力支持。
圖文概覽
1.原位SKPFM方法和結果
圖1. 馬氏體鋼中納米析出相的原子力顯微鏡形貌圖和掃描開爾文探針力顯微鏡實驗過程示意圖。
圖2. 氫-納米析出相相互作用的原位掃描開爾文探針力顯微鏡（SKPFM）表征。a-d&f-i 在未充氫和充氫后不同時間測量的納米相1#和3#的電勢圖；e 沿圖a，d中黃色虛線的電勢分布；j 沿圖f，i中黃色虛線的電勢分布。圖中所有比例尺為200 nm。注：納米相周圍的暗環和亮環分別表明了其捕獲氫和排斥氫的行為。
2.納米析出相同位提取及成分結構分析
圖 3. 納米相的FIB提取、STEM成像和EDS譜分析。a-c識別、提取和 FIB 減薄納米相樣品；d, e分別為納米相2#和3#的STEM圖像；f，g EDS面掃描結果；h，i 橫跨界面的EDS線掃描數據。注：由于 STEM 成像時的碳污染，EDS 對 C 含量的量化并不準確。
圖4. 納米析出相結構及界面模型。a-c 2#納米相的 HRTEM圖像、納米相與基體界面的電子衍射圖、基于相對取向構建的界面原子結構模型。d-f 3#納米相的STEM-HAADF圖像、納米相與基體界面的電子衍射圖、基于相對取向構建的界面原子結構模型。
3.界面的結構和化學特征分析
圖5. 納米相內部和界面處電子能量損失譜 (EELS) Ti L2,3峰分析。
圖 6. 納米相邊界附近的原子應變圖。a, b 納米相界面處馬氏體原子級 HAADF-STEM圖像。黃色虛線標記了原子應變分析的區域。c, d 距離界面 3 nm 范圍內區域的原子應變圖。e, f 密度函數理論 (DFT) 計算 H 原子在四面體間隙位置的溶解能和四面體間隙體積。
成果意義
上述認識表明不是所有的析出相都有助于抗氫脆，為更好的利用納米相析出相兼得強化和抗氫效果提供了基礎指導。此外，由于固溶氫原子的直接成像較為困難，該研究為探究納米尺度特征的氫捕獲行為并同位剖析其微觀機理提供了一種有效的實驗方法，為材料-氫交互作用的原子機理研究提供了新途徑。
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