高强度钢氢脆研究突破：原子探针断层扫描技术揭示氢陷阱微观机制

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Julie M. Cairney（澳大利亚悉尼大学）和Hongzhou Lu（中信金属公司），合作团队来自悉尼大学、中信金属、北京科技大学等机构。研究成果发表于*Science*期刊，2020年1月10日，标题为《Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries, and precipitates》。

学术背景
氢脆（hydrogen embrittlement, HE）是阻碍高强度钢应用于可持续能源（如氢能储运和轻量化汽车）的关键问题。尽管氢脆现象已发现一个世纪，但其微观机制仍不明确，尤其是氢原子在钢的缺陷（如位错、晶界、碳化物）中的具体分布与作用机制缺乏直接实验证据。传统热脱附谱（TDS, thermal desorption spectroscopy）能检测氢的总体滞留量，但无法区分不同微观结构对氢捕获的贡献。本研究通过低温转移原子探针断层扫描（cryo-transfer APT, atom probe tomography）技术，首次直接观测到氢在钢的纳米级缺陷中的定位，为氢脆理论模型提供了实证支持。

研究流程与方法
1. 样品制备与表征
- 材料设计：选用含铌（Nb）低碳钢，通过两种热处理获得铁素体（低缺陷密度）和马氏体（高位错/晶界密度）状态。
- 微观结构表征：采用透射菊池衍射（TKD, transmission Kikuchi diffraction）和透射电镜（TEM）确认晶粒尺寸、位错分布及碳化物（NbC）的相干性。结果显示马氏体样品中存在高密度位错和低角度板条晶界，NbC与基体为非共格界面（图1）。

1. 氢/氘引入与热脱附分析

   • 电解充氢：样品在电解液中预充氢，随后通过TDS检测氢释放温度。马氏体样品在100–300°C出现主峰（对应位错捕获氢），铁素体样品在100–200°C（晶界捕获）和300–350°C（NbC捕获）出现双峰（图2）。
     

2. 低温APT实验

   • 氘标记与冷冻转移：为避免氢扩散损失，样品充氘后通过全程低温链（<-120°C）转移至APT腔室。
     
   • 三维原子成像：
     
     • 铁素体样品：直接观测到氘原子富集在NbC-基体界面（图3），通过成分剖面（proxigram）定量证实界面捕获效应。
       
     • 马氏体样品：通过碳 segregation（2%等浓度面）标记位错和晶界，发现氘集中于位错核心和晶界区域（图4），且与碳共定位但不受铌影响。
       

主要结果
1. 氢陷阱的直接证据
- 碳化物界面：氘在非共格NbC-铁素体界面富集，证实此类界面可作为有效氢陷阱（图3e-f）。
- 位错与晶界：马氏体中氘与碳共定位（图4c-d），但理论表明碳对氢捕获的直接影响较弱，氢滞留主要源于缺陷应变场（如位错核心的体心立方晶格畸变）。

1. 机制验证
   
   • 氢脆理论支持：结果直接验证了氢增强局部塑性（HELP, hydrogen-enhanced local plasticity）和氢致解离（HEDE, hydrogen-induced decohesion）模型的假设——氢在缺陷处富集导致材料弱化。
     
   • 抗氢脆设计指导：非共格碳化物界面可作为氢陷阱，通过调控析出相尺寸/分布可优化抗氢脆性能。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次在原子尺度揭示氢在钢的缺陷中的分布，解决了氢脆机制中“氢定位”这一核心争议。
2. 应用价值：为设计抗氢脆钢（如优化碳化物界面密度）提供了明确方向，对氢能储运装备和汽车轻量化材料开发至关重要。

研究亮点
1. 技术创新：开发低温转移APT协议，克服氢原子易扩散的技术难题。
2. 多尺度关联：结合TDS宏观数据与APT纳米级定位，建立氢捕获行为的全尺度关联。
3. 理论突破：澄清碳与氢在缺陷处的交互作用，证实氢捕获主要依赖缺陷而非碳 segregation。

其他价值
本研究方法可拓展至其他氢敏感材料（如钛合金、高熵合金）的缺陷工程研究，为氢能时代的材料设计提供普适性工具。