近日，由來自牛津大學(xué)的D. Haley（通訊作者）等在Science上發(fā)表了一篇名為“Direct observation of individual hydrogen atoms at trapping sites in a ferritic steel”的文章。文中，研究人員在微觀尺度上研究鐵素體鋼中的碳化物與氫的相互作用時(shí)，摒除傳統(tǒng)研究方法和設(shè)備的各種限制和干擾，對鐵素體鋼采用氘（D）代替同位素氫（H）作為引入的氫源，并在低溫下傳輸以此“固化”氫防止其擴(kuò)散，然后再借助新型原子探針層析技術(shù)（APT） ，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從原子尺度上對鐵素體鋼中碳化物和單個(gè)氫原子在三維分布上的高分辨直接觀察。結(jié)果顯示，引入的氫原子主要俘獲于碳化物核心附近，即表明鐵素體中的碳化物可以成為氫的有效陷阱，從而提高抗氫脆敏感性能。

圖1. 實(shí)驗(yàn)所用鐵素體鋼

（a）實(shí)驗(yàn)用鐵素體鋼（Fe-0.096C-1.6Mn-0.026Si-0.51Mo-0.25V-0.05Al-0.056Nb （wt%） ）的TEM明場像圖。從中可看出，碳化物在鐵素體中較精細(xì)均勻分布。

（b）所含碳化物（VC表示）中V元素在鐵素體鋼中三維（3D）分布APT圖。其中藍(lán)色原點(diǎn)表示鈁（V）元素，代表碳化物。

（c）距離碳化物/基體界面不同位置處各元素含量分布曲線。包括Fe, V, Mo, C四元素，為了便于觀察，極少量的Nb未顯示。

圖2. 引入氫源“氘”（D）后鐵素體鋼APT圖

（a）引入氫源“氘”（D/（或表示為）2H）后鐵素體鋼中碳化物和氫源“氘”（D/2H）在三維（3D），xy，yz方向上的的分布APT圖。紅色原點(diǎn)表示氫源“氘”（D），即質(zhì)譜圖中的紅色峰（D/2H），藍(lán)色原點(diǎn)表示V元素，即碳化物。從中可以看出，引入的氫源“氘”（D/2H）在三維方向上都主要分布在碳化物附近。

（b）H/D質(zhì)譜圖。

圖3. 充氘碳化物的聯(lián)合分析

為解決碳化物陷阱中的氘（D）是處在與碳化物的界面處附近還是進(jìn)入了碳化物顆粒內(nèi)部的爭端，特意進(jìn)一步研究了氘（D）與碳化物顆粒間的相對位置。為此將所有含超過100個(gè)總原子數(shù)的碳化物顆粒進(jìn)行疊加和歸一化分析，得到碳化物中氘（D）所占原子比為0.5%時(shí)得到的碳化物顆粒輪廓。依據(jù)如果氘（D）被限制在碳化物表面的界面區(qū)域，則會(huì)會(huì)呈現(xiàn)U形輪廓這一結(jié)論，但實(shí)驗(yàn)歸一化結(jié)果并未顯示如此。這一結(jié)果與先前Ohnuma et al相反，但與Malard et al.研究結(jié)果卻相似，Malard et al認(rèn)為10%原子比的氫進(jìn)入了顆粒內(nèi)部。而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示最多只有0.6%，此處認(rèn)為可能與實(shí)驗(yàn)過程中氫的逸散有關(guān)。