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【AI讀進展】鈦合金——深海裝備的“鋼鐵俠戰甲”，為何在深海中也會“生銹”？

2025-03-17 13:41:52 作者：中國科學院金屬研究所來源：中國科學院金屬研究所分享至：

在深海裝備領域，鈦合金就像超級英雄的鎧甲：它既輕盈又堅固（比強度高），還能抵御海水腐蝕。但科學家最近發現，當這種“戰甲”來到氧氣稀薄的深海環境時，會面臨特殊的“脆化危機”——應力腐蝕開裂。這背后的罪魁禍首，竟是看似無害的氫元素。

一、氫元素的“潛伏行動”

在深海高壓低氧環境中，鈦合金表面的保護膜一旦被機械應力撕裂，就像戰甲出現了裂縫。此時，海水中的氫原子會像特工般悄然潛入金屬內部。通過量子力學計算發現：

• 氫原子會優先聚集在材料裂紋尖端，形成“氫原子特攻隊”

• 當表面氫濃度達到臨界值（H:Ti=48:108），金屬晶格會發生“變身”（HCP→FCC結構轉變）

• 這種結構轉變就像多米諾骨牌，一旦啟動就會加速裂紋擴展

二、實驗室里的“顯微戰爭”

金屬所科學家借助超級顯微鏡——散裂中子源中子成像技術，實時捕捉到氫原子在鈦合金中的行蹤：

• 在α+β雙相結構中，氫更偏愛β相，導致其晶格扭曲變形

• 在α相晶粒中發現新型周期性結構，這可能是氫化物變身的“中間態”

• 添加鐵、鉻等元素時，氫會“策反”這些元素，誘發新型金屬相生成

三、材料設計的“反脆弱密碼”

研究發現，通過調控合金成分和微觀結構，可以建立抵御氫脆的防線：

• 控制β穩定元素（如Fe、Cr）的含量，能改變氫的擴散路徑

• 優化熱處理工藝，可以阻止有害氫化物的形成

• 新發現的BCC-FCC相變機制為設計自修復材料提供思路

這項突破不僅保障了深海裝備的安全性，更為氫能源儲存、燃料電池等新興領域提供了關鍵材料技術支持。就像為鈦合金裝備開發了“防氫裝甲”，讓這種神奇金屬能在更嚴苛的環境中繼續守護人類探索深海的夢想。

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