導(dǎo)讀：高強(qiáng)鋼的氫脆是限制其工業(yè)應(yīng)用的重要瓶頸，而碳化鈮（NbC）納米析出相在提升強(qiáng)度的同時也能提高抗氫脆性能。本文利用高分辨透射電鏡（HRTEM）直接觀察到馬氏體鋼中NbC與Fe基體的半共格界面處存在大量失配位錯，并結(jié)合第一性原理計算（DFT）和熱脫附譜法（TDS）證實了這些失配位錯核心是NbC作為深氫陷阱的根源，并基于這種理念得到具有優(yōu)異抗氫脆性能的高強(qiáng)馬氏體鋼。

馬氏體高強(qiáng)鋼因出色的力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、油氣開發(fā)等領(lǐng)域，但其具有很高的氫脆敏感性，這嚴(yán)重制約了馬氏體鋼的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。目前人們對氫脆機(jī)理的認(rèn)識已較明晰，但如何設(shè)計高強(qiáng)抗氫脆鋼依然是一個重要瓶頸。通過引入晶內(nèi)氫陷阱來捕獲氫是當(dāng)前抗氫脆設(shè)計的重要理念，特別是VC、TiC、NbC等納米析出相。2020年1月，悉尼大學(xué)Yi-Sheng Chen等人在《Science》發(fā)表的成果中采用原子探針層析成像技術(shù)（APT）直接觀察到氫分布在NbC與鋼基體界面處（詳見：“鋼鐵領(lǐng)域再發(fā)《Science》！氫脆原來是這么回事！”）。

然而，究竟什么結(jié)構(gòu)才是NbC界面處的氫捕獲位點？這一個本質(zhì)問題一直懸而未解，因為界面處含有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括四/八面體間隙、彈性應(yīng)變場、空位、失配位錯等，而這些無法通過APT辨識。因此，通過確定NbC深氫陷阱的根源才能深刻理解其氫陷阱行為，進(jìn)而調(diào)控析出相以獲得優(yōu)異的抗氫脆性能。

基于此，北京科技大學(xué)北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心喬利杰教授團(tuán)隊采用HRTEM觀察、DFT計算、TDS實驗等方法從原子層次揭示了NbC與基體半共格界面處的失配位錯核心是其深氫陷阱的根源，為進(jìn)一步調(diào)控NbC以獲得高強(qiáng)抗氫脆鋼提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Atomic-scale investigation of deep hydrogen trapping in NbC/α-Fe semi-coherent interfaces”為題，發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級期刊Acta Materialia上，博士生石榮建為論文第一作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.031

研究發(fā)現(xiàn)，通過HRTEM原子級觀察得到NbC與基體之間為K-S取向關(guān)系（圖1），并且其半共格界面處存在高密度的兩組失配位錯。進(jìn)一步地，通過DFT計算（圖2）和TDS實驗（圖3），分別從原子級模擬和氫陷阱激活能測量兩方面揭示了界面處的失配位錯核心是NbC深氫陷阱的根源和本質(zhì)。

圖1. NbC/α-Fe半共格界面HRTEM研究。（A）NbC顆粒與基體HRTEM圖，插圖為快速傅里葉轉(zhuǎn)換（FFT）圖；（B1-B4）分別為基體和NbC的FFT圖、反傅里葉轉(zhuǎn)換圖；（C）晶體取向關(guān)系圖，表明NbC與基體為Kurdjumov–Sachs（K–S）取向關(guān)系；（D-E）半共格界面失配位錯（用“⊥”表示）分析

圖2. DFT計算不同NbC/α-Fe界面及氫陷阱行為。（A-B）具有Baker–Nutting取向關(guān)系的（001）界面、（C-D）含碳空位的（001）界面、（E-F）本研究的K-S界面加氫前后的原子級模擬

圖3. TDS實驗研究NbC深氫陷阱行為。（A）預(yù)充氫后不同升溫速率下的TDS圖，（B）兩個熱脫附峰的氫陷阱激活能分別為19.7 kJ/mol（位錯等淺氫陷阱）和81.8 kJ/mol（NbC等深氫陷阱）

圖4. 本研究與文獻(xiàn)中氫陷阱能力和抗氫脆性能的比較

本研究從原子層次揭示馬氏體鋼中NbC深氫陷阱的根源——半共格界面處的失配位錯核心，以此獲得了優(yōu)異的深氫陷阱能力和抗氫脆性能（圖4），這為高強(qiáng)抗氫脆鋼的設(shè)計提供了重要的理論與實踐支撐。利用該研究成果開發(fā)出的高強(qiáng)韌、易焊接低合金鋼可用于解決我國國防重大需求，已開始百噸級的工業(yè)化生產(chǎn)。