氫在體心立方金屬中既能移動位錯又能釘扎位錯

實驗方法：（1）原位SEM-ECCI：對預應變1%的430不銹鋼（BCC結構）進行電化學充氫（電解液：30 g/L NaCl + 3 g/L NH?SCN，電流密度5 A/m²），通過掃描電鏡電子通道襯度成像（ECCI）實時觀察位錯運動。（2）同步輻射XRD：利用高能X射線（105.7 keV）分析充氫過程中晶格應變和參數變化，排除宏觀變形干擾。（3）銀裝飾實驗：在樣品表面覆蓋銀溶液（4.3 mM KAg(CN)?），通過光學顯微鏡觀察氫擴散路徑，驗證氫的分布特性。（4）氫滲透測試：采用Devanathan-Stachurski雙電解池法監(jiān)測氫穿透動力學。

模擬方法：（1）分子動力學（MD）：基于EAM勢函數模擬螺型位錯與氫通量的相互作用，分析位錯運動與釘扎的原子機制。（2）彈性帶計算（NEB）：量化氫結合位點（如S2位點）對位錯遷移能壘的影響，揭示氫降低雙扭結形核能壘的作用。（3）粗粒度模擬：結合氫擴散隨機規(guī)則和位錯線張力效應，預測氫梯度誘導位錯運動的宏觀行為。

• 氫的雙重作用：充氫初期（1小時內），ECCI觀察到BCC金屬中位錯小范圍移動（平均位移49 nm），隨后氫在位錯核心聚集導致釘扎，且釘扎狀態(tài)在氫脫附后仍保持。

• 局部敏感性：僅約5%的位錯對氫敏感，遠低于FCC金屬（90%），表明BCC中氫-位錯作用受限于局部通量和結合位點。

• 擴散特性：銀裝飾實驗顯示氫在BCC中均勻擴散，未沿晶界富集；同步輻射XRD證實氫未引起宏觀晶格應變變化。

• 原子機制：MD模擬表明氫通量誘導位錯反向運動，但氫核心聚集后形成釘扎；NEB計算揭示S2氫結合位點可將雙扭結形核能壘從0.68 eV降至0.14 eV，加速位錯運動。

• 本研究首次通過實驗與模擬結合，揭示氫在BCC金屬中“先動后釘”的雙重作用機制，解決了HELP與HEDE模型的長期爭議。本工作也為耐氫材料的設計提供了關鍵指導，如通過調控位錯密度、氫陷阱分布或晶界工程優(yōu)化抗氫脆性能等。

• Hydrogen can both move or pin dislocations in body-centered cubic metals

• Kyung-Shik Kim, Qing-Jie Li, Ju Li, Cemal Cem Tasan

• 通訊作者：Cemal Cem Tasan（麻省理工學院）

• Nature Communications, 2025, 16, 3936

• https://doi.org/10.1038/s41467-025-59314-z