氫脆(HE)的一個關鍵特征是在氫在作用下從韌性轉變為“脆性”斷裂。對于多晶材料，這種轉變通常歸因于在大量非原位實驗中氫誘導的微觀尺度上的穿晶斷裂到晶間斷裂。有研究表明晶界(GB)在HE中起著重要作用，氫-GB相互作用是理解穿晶斷裂向晶間斷裂轉變的關鍵。轉變過程可能涉及幾種重要的HE機制的協同作用。三種廣泛接受的機制是氫增強局部塑性(HELP)、氫增強脫聚(HEDE)和氫增強應變誘導空位形成(HESIV)，HELP的理論基于增強的位錯遷移率和氫脆化樣品斷裂面下方的位錯結構演變。

然而，對于這種局部延展性行為如何導致最終的“脆性”斷裂的理解仍然存在很大差距。HEDE假設局部裂紋尖端的H可能導致金屬鍵的減弱進而斷裂，但它不能解釋增加的塑性。HESIV假設塑性變形過程中產生的空位通過形成H-空位而穩定，這將進一步與位錯相互作用。然而，這些穩定的空位與脆化之間的聯系仍然無法解釋。所有這些機制在GB上都是可能的，但是斷裂模式的轉變過程(尤其是初始裂紋的轉變)尚未通過原位實驗或模擬直接證明，多種機制的驗證是氫脆研究中的重要問題之一。

挪威科技大學的研究人員通過對具有∑5(210)[001]晶界的雙晶Ni進行單軸應變，建立原子模型闡明了由氫影響的穿晶向晶間斷裂的轉變，揭示了特定的氫控制塑性機制。發現氫在晶界附近形成局部氛圍，引起局部應力集中并抑制變形過程中在晶界處的應力松弛。相關論文以題為“Hydrogen-induced transgranular to intergranular fracture transitionin bi-crystalline nickel”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114122

研究發現在100,000 MC步驟中，晶粒和GB中的H濃度首先達到c0=0.001，在隨后的MC步驟中，由于捕獲能量高和體積過剩，H原子繼續泵入GB區域。然而，晶粒內部的H濃度略有減少并保持在c=0.0008左右，這主要是由形成的H氛圍之間的吸引力相互作用引起的，在15,000,000 MC步驟之后，在c=0.25處達到平衡，表明這種類型的∑5 GB可能是首選的聚集地點。

圖1 (a, b, c) 完美∑5(210)[001]GB的平衡結構和∑5、∑3 CTB的H分布圖；(d) Ni中H濃度c0與化學勢μ之間的關系；(e) GB區域、晶粒內部H濃度與MC之間的關系 

圖2 不同H濃度下的應力-應變曲線、孿晶體積分數和不同應變下無H與含H的原子結構

圖3 不同區域的等效應力應變曲線和無H與含H的平均等效應力分布

圖4 (a) 空位體積分數隨H濃度變化的應變函數；(b-g)應變0.18時，隨H濃度變化的表面空位

H在100%飽和的情況下，由于高密度位錯的塞積，在GB上具有納米空位形核，這種納米空位由H引起的從晶粒內部到GB的割裂，表現為H誘導的穿晶斷裂向晶間斷裂的轉變。H能夠促進更多的位錯在GB上形核、增殖和消失，進而產生更多的孿晶，這些孿晶相互作用，進一步增加位錯密度。

本文證明了由H影響控制的穿晶到晶間斷裂轉變機制，飽和的H可以增加GB區域的初始應力集中，更重要的是抑制GB在變形過程中的應力釋放能力，這會導致局部應力集中并促進GB的局部塑性。本文表明了H-GB相互作用和氫增強空位形成是氫致室溫下晶間斷裂的重要因素。