西工大李金山教授團隊頂刊 IJP：一種考慮晶界氫擴散的晶體塑性模型

鋼鐵俠 4個月前 (09-19) 1198瀏覽

一、導讀

為助力實現碳達峰、碳中和目標，深入推進能源生產和消費革命，氫能逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一。我國發改委及國家能源局發布了《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035）》，期望于2035年形成氫產業體系。然而氫原子會降低暴露于其中的金屬構件的力學性能及服役壽命，進而限制著氫儲運以及氫能的廣泛應用，這種現象被稱為氫脆（HE）。由于氫原子非常小，采用常規實驗手段研究氫分布以及氫與材料各種微觀結構的交互作用受著嚴重的制約。晶體塑性有限元方法（CPFEM）具有可以方便預測材料微觀組織與氫擴散行為的獨到優勢，是研究氫環境下多晶合金內部不均勻變形、損傷累積及斷裂等行為的有效手段。因此，建立合適的耦合氫擴散的晶體塑性本構模型研究多晶合金的氫擴散行為，并結合相場斷裂模型預測斷裂過程，是實現抗氫脆合金組織設計與性能預測的關鍵問題。

二、研究成果簡介

凝固技術國家重點實驗室李金山教授團隊，聯合南京航空航天大學趙利果教授團隊，以單晶及多晶純鎳為研究對象，針對各類晶界對氫原子加速與捕獲行為進行了定量化描述，建立了晶界能依賴的耦合氫擴散的非局部晶體塑性本構模型。本工作通過單晶及多晶鎳在有/無氫條件下的拉伸曲線確定了晶界影響區平均強度及鎳的晶體塑性本構參數。并引入晶界空間取向、取向差及界面能等關鍵參數，建立了晶界影響區及晶內區域的氫擴散平衡方程，定量考慮了晶界與氫原子的交互作用及氫對材料加工硬化的影響。將改進后的本構模型應用于雙晶/多晶鎳的應力輔助氫偏析行為模擬計算中，為材料內部氫分布特征的預測提供了更加具體的指導。并考慮相場斷裂模型進行了氫致裂紋擴展行為的模擬，驗證了氫脆斷裂過程中的裂紋擴展及合并過程。為介觀尺度下預測材料在氫環境下服役壽命、設計抗氫脆組織合金、晶界工程提供了新思路，具有重要的應用前景。

相關研究以“A hydrogen diffusion model considering grain boundary characters based on crystal plasticity framework”為題發表在塑性領域國際頂級期刊International Journal of Plasticity (DOI: 10.1016/j.ijplas.2023.103740)。該論文通訊作者為凝固技術國家重點實驗室李金山教授，唐斌教授，南京航空航天大學趙利果教授，第一作者為博士研究生李凱迪。該工作獲得國家科技重大專項(J2019-VI-0023-0140)以及國家重點研發計劃(2021YFB3702604)的資助和支持。