日本東北大學(xué)金屬材料研究所的小山元道等人，開(kāi)發(fā)出了利用掃描型電子顯微鏡（SEM）在納米水平觀察氫如何隨著時(shí)間變化影響金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。

氫會(huì)削弱金屬的強(qiáng)度，這種現(xiàn)象被稱為氫脆。當(dāng)金屬被腐蝕或者暴露于氫氣中時(shí)，氫就會(huì)進(jìn)入金屬中，氫脆成為了高強(qiáng)度金屬應(yīng)用中的瓶頸。為了開(kāi)發(fā)和評(píng)測(cè)存在腐蝕可能性的車身用高強(qiáng)度鋼，以及氫能源社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施用結(jié)構(gòu)材料，就必須要查清氫脆的機(jī)制。

妨礙查清氫脆機(jī)制的主要原因之一是難以觀察到相關(guān)現(xiàn)象。氫原子是最小的原子，因此會(huì)在金屬中四處移動(dòng)，有時(shí)還會(huì)跳到金屬外面。因此，需要在注意 “時(shí)間” 的同時(shí)，在 “納米水平” 觀察隨著氫原子的運(yùn)動(dòng)而不斷發(fā)生變化的金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

此次的研究利用電子通道對(duì)比成像法，成功在納米水平觀察了含氫金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時(shí)間變化。該方法與其他方法相比，對(duì)觀察樣本的形狀限制較小，因此可以觀察氫在不同形狀的金屬片中的影響以及在負(fù)載環(huán)境中的影響。為了開(kāi)發(fā)強(qiáng)度更高且更耐氫的材料，該方法有望為所有與氫有關(guān)的研究做出貢獻(xiàn)。

觀察結(jié)果如圖1所示，圖中白色的位置是金屬中的缺陷，是不容易存在原子的部分，這被稱為 “位錯(cuò)”。受力或受熱后，位錯(cuò)便開(kāi)始移動(dòng)，導(dǎo)致金屬變形、強(qiáng)度變化以及遭到破壞。圖中用藍(lán)色標(biāo)記的位錯(cuò)在導(dǎo)入氫后大幅移動(dòng)。此時(shí)未向樣本施加外力和熱，表明是氫的存在引起位錯(cuò)移動(dòng)的。結(jié)合此次的觀察和計(jì)算模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不僅是位錯(cuò)與氫之間的相互作用，與另一種缺陷——晶界之間的三體相互作用也會(huì)引起這種現(xiàn)象。

圖1：導(dǎo)入氫之后的金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時(shí)間變化。從上到下依次為經(jīng)過(guò)1小時(shí)、2小時(shí)和3小時(shí)后的圖像。

除了對(duì)觀察樣本的形狀限制較小以外，該方法還有一個(gè)特點(diǎn)是，與其他方法相比，無(wú)需復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的試片形狀，與仿真具有良好的兼容性。而且該方法無(wú)需使用特殊的裝置，因此有望成為一種通用方法，用于開(kāi)發(fā)、研究和評(píng)測(cè)在氫環(huán)境下使用的高強(qiáng)度材料。

【論文信息】

題目：Origin of micrometer-scale dislocation motion during hydrogen desorption

期刊：《Science Advances》

DOI：10.1126/sciadv.aaz1187