氢致空位对铝中位错运动的锁定效应研究
作者及机构
本研究由Degang Xie（西安交通大学）、Suzhi Li（卡尔斯鲁厄理工学院）、Meng Li（西安交通大学）、Zhangjie Wang（西安交通大学）、Peter Gumbsch（卡尔斯鲁厄理工学院及弗劳恩霍夫材料力学研究所）、Jun Sun（西安交通大学）、Evan Ma（约翰霍普金斯大学）、Ju Li（麻省理工学院）及Zhiwei Shan（西安交通大学）合作完成，并于2016年11月3日发表在《Nature Communications》期刊（DOI: 10.1038/ncomms13341）。
学术背景
氢脆（hydrogen embrittlement, HE）是金属材料在氢环境中机械性能退化的现象，但其微观机制长期存在争议。传统理论认为氢可能通过两种相反的方式影响位错运动：
1. Cottrell理论：氢原子形成气团（atmosphere）拖拽位错，增加位错运动阻力；
2. Birnbaum-Robertson理论：氢通过屏蔽位错间弹性相互作用（shielding effect）促进位错滑移。
然而，这些理论未考虑氢稳定化的超饱和空位（superabundant vacancies, SAVs）的作用。本研究旨在通过原位实验与原子模拟，揭示氢-空位复合体（hydrogen-vacancy complexes, VaH）对铝中位错运动的锁定机制，为氢脆的微观解释提供新视角。
研究方法与流程
1. 样品制备与机械退火
- 样品：高纯单晶铝（99.9995%）纳米柱（直径620 nm），通过聚焦离子束（FIB）加工成型，顶部沉积100 nm碳层以缓冲加载接触应力。
- 机械退火：通过循环压缩（峰值应力250-330 MPa，694次循环）降低位错密度，最终仅保留5个可动位错（图1c）。此过程利用“循环愈合”（cyclic healing）现象清除内部位错，使位错构型稳定化。
2. 真空老化对照实验
- 设计目的：排除电子束辐照诱导空位对位错运动的干扰。
- 流程：样品在真空环境中静置200分钟（170分钟无电子束，30分钟有电子束），观察位错构型变化。结果显示位错仅发生轻微松弛（如弯曲段变直），未出现锁定现象（图2），证明真空老化不会导致位错钉扎。
3. 氢环境实验
- 氢化处理：将样品暴露于2 Pa氢气环境30分钟（电子束辅助电离），表面形成氢气泡（图3b黑色箭头），确认氢成功渗入。
- 位错锁定现象：氢化后，相同加载条件下（250 MPa循环应力），所有位错运动完全停止（图3d），激活应力提升至未氢化时的2.5倍以上。
4. 脱氢与位错再激活
- 脱氢处理：停止供氢后真空静置100分钟，重新加载发现位错以“粘滑”（stick-slip）方式间歇性运动（图4d），且再锁定需长达10³秒，远超氢间隙扩散的时间尺度（约1秒）。
5. 原子模拟
- 方法：采用角相关势（angular-dependent potential, ADP）模拟氢及VaH复合体的扩散路径与位错相互作用。
- 关键结果：
- VaH迁移能垒（0.67 eV）显著高于氢间隙（0.19 eV），扩散系数低至2.8×10⁻¹⁴ cm²/s（图5a），与实验观测的锁定时间尺度吻合。
- VaH在位错核心形成割阶（jogs），临界剪切应力（117 MPa）比纯氢钉扎（32 MPa）高3.6倍（图5c），证实其强锁定效应。
主要结果与逻辑关联
- 氢化锁定：氢暴露后位错运动完全抑制，需更高应力激活，表明氢通过某种机制显著增强位错钉扎。
- 时间尺度矛盾：再锁定时间（10³秒）与氢间隙扩散预测（1秒）不符，暗示锁定机制涉及更慢的扩散物种——VaH复合体。
- 原子模拟验证：VaH的高迁移能垒与强钉扎效应直接支持实验现象，建立“氢→空位稳定→VaH形成→位错锁定”的因果链。
结论与意义
本研究首次证实氢通过稳定空位形成VaH复合体，而非传统认为的氢间隙原子，主导铝中位错的强锁定效应。其科学价值包括：
1. 氢脆机制革新：提出“氢-空位协同”模型，解释塑性流动局部化（HELP理论中争议的初始硬化阶段）。
2. 应用指导：VaH作为最小化损伤单元（减少金属配位数），可能参与裂纹萌生，为抗氢脆材料设计提供新靶点。
研究亮点
- 原位技术：环境透射电镜（ETEM）结合纳米力学测试，实现氢环境下位错运动的实时观测。
- 时间尺度解析：通过循环加载与老化实验，区分氢间隙与VaH的动力学差异。
- 多尺度验证：实验与模拟结合，定量关联宏观力学响应与原子尺度机制。
其他价值
研究揭示了辐照损伤（如空位聚集）与氢脆的潜在共性，为核材料等领域中氢致失效提供跨领域启示。