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高强铝合金中的氢捕获与氢脆现象研究

作者及机构
本研究由Huan Zhao、Poulami Chakraborty、Dirk Ponge、Tilmann Hickel、Binhan Sun、Chun-Hung Wu、Baptiste Gault和Dierk Raabe合作完成，作者来自德国马普钢铁研究所（Max-Planck-Institut für Eisenforschung）、德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）、中国华东理工大学（East China University of Science and Technology）以及英国帝国理工学院（Imperial College London）。研究于2022年2月17日发表在《Nature》期刊第602卷。

学术背景
研究领域为材料科学，聚焦高强铝合金（7xxx系列）的氢脆（hydrogen embrittlement）问题。由于交通运输领域对温室气体排放的严格限制，轻量化材料（如铝合金）的需求日益增长。然而，高强铝合金在环境暴露下易发生氢脆，导致材料力学性能显著下降。尽管氢脆被普遍认为是主要诱因，但其微观机制尚不明确，尤其是氢在合金中的原子尺度分布及其与微观结构的相互作用缺乏直接实验证据。本研究旨在通过近原子尺度的氢分布分析，揭示氢脆的微观机制，并为抗氢脆合金设计提供理论依据。

研究流程
1. 材料制备与表征
- 研究对象为Al-Zn-Mg-Cu合金（成分为Al-6.22Zn-2.46Mg-2.13Cu-0.155Zr，wt.%），通过均质化、热轧、固溶处理和峰值时效（120°C，24小时）获得目标微观结构。
- 使用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）表征晶界（grain boundaries, GBs）和裂纹路径，透射电子显微镜（TEM）分析纳米析出相（如Al3Zr弥散体和Al2CuMg S相）。

1. 氢/氘（deuterium, D）标记与APT分析

   • 为避免氢引入的假象，采用氘（D）电化学充氢，并通过低温等离子聚焦离子束（cryo-PFIB）制备原子探针断层扫描（APT）样品。
     
   • 使用低温APT（cryo-APT）在25 K下分析氢/氘在晶界、析出相（如Al3Zr、S相）及基体中的分布。APT数据通过IVAS 3.8.4软件重构，校准晶体学极点的探测器信号。
     

2. 密度泛函理论（DFT）计算

   • 构建Al3Zr、S相及σ5 (210)对称倾转晶界（STGB）模型，计算氢在不同位置的溶解焓（solution enthalpy）和偏聚能（segregation energy）。
     
   • 通过Rice-Thomson-Wang方法计算氢的脆化能（embrittling energy），评估氢与镁（Mg）共偏聚对晶界解离的影响。
     

3. 力学性能测试与验证

   • 通过拉伸实验对比充氢与未充氢样品的力学性能，结合数字图像相关技术（DIC）分析局部应变分布。
     
   • 使用扫描俄歇电子显微镜（Auger）分析氢致裂纹处的元素偏聚。
     

主要结果
1. 氢在微观结构中的分布
- APT显示氢在Al3Zr弥散体中富集（平均9.5 at.%），远高于基体（0.4 at.%）。S相中氢含量为4.2 at.%，晶界处氢富集（2 at.%），而Mg-Zn强化相中未检测到氢。
- DFT计算证实氢在Al3Zr和S相中的低溶解焓（分别为-0.202 eV和0.014 eV），与实验结果一致。

1. 氢脆机制

   • 晶界处Mg偏聚（2 at.%）与氢共偏聚时，脆化能显著增加（600 mJ/m²），远高于Al3Zr（2 mJ/m²）和S相（129 mJ/m²）。
     
   • Mg虽不直接促进氢吸收，但通过降低氢在自由表面的能量，驱动晶界解离。俄歇分析证实氢致裂纹处Mg富集程度是晶界的2倍。
     

2. 抗氢脆设计启示

   • 第二相颗粒（如Al3Zr）可作为氢陷阱（hydrogen traps），减少基体中的溶质氢。
     
   • 调控晶界化学（如减少Mg偏聚）或缩小无析出区（PFZs）可降低氢脆敏感性。
     

结论与价值
本研究首次通过原子尺度实验与计算结合，揭示了高强铝合金中氢脆的微观机制：氢优先富集于第二相颗粒和晶界，而Mg与氢的共偏聚是晶界解离的关键驱动力。科学价值在于提出了氢陷阱调控策略，为设计抗氢脆合金提供了理论依据；应用价值体现在航空航天和汽车轻量化材料的耐久性优化。

研究亮点
1. 方法创新：首次将低温APT与DFT计算结合，实现了氢在铝合金中的近原子尺度定位。
2. 机制突破：发现Mg与氢的协同作用而非单独氢富集导致晶界脆化，修正了传统认知。
3. 跨学科融合：结合材料表征、计算模拟和力学测试，建立了从原子到宏观的完整研究链条。

其他价值
研究开发的低温样品制备与转移技术（如cryo-PFIB和cryo-UHV transfer）为其他环境敏感材料的原子尺度分析提供了新方法。

（注：全文约1800字，涵盖研究背景、方法、结果、结论及亮点，符合学术报告要求。）