實(shí)現(xiàn)“氫經(jīng)濟(jì)”的一大挑戰(zhàn)在于開發(fā)能夠應(yīng)對(duì)氫環(huán)境中特殊服役需求的經(jīng)濟(jì)材料。高錳奧氏體鋼因其相對(duì)較高的抗氫脆性能，成為應(yīng)用于氫存儲(chǔ)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的理想材料候選。然而，在嚴(yán)苛的氫環(huán)境中，這些材料仍可能遭受氫致開裂等問(wèn)題。關(guān)于氫如何影響奧氏體鋼的變形與脆化機(jī)制，目前仍存在較多爭(zhēng)議，特別是堆垛層錯(cuò)在氫環(huán)境中的具體作用尚未完全闡明。

美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的Lawrence Cho團(tuán)隊(duì)利用原位和非原位中子衍射技術(shù)，結(jié)合衍射線輪廓分析（DLPA），系統(tǒng)探討了氫對(duì)高錳奧氏體鋼中缺陷行為的影響。 本研究重點(diǎn)關(guān)注氫對(duì)位錯(cuò)密度和堆垛層錯(cuò)頻率(PSF)演化的影響，并分析其對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響機(jī)制。該工作以《Influence of hydrogen on deformation and embrittlement mechanisms in a high Mn austenitic steel: In-Situ neutron diffraction and diffraction line profile analysis》為題發(fā)表在《Acta Materialia》上。

中子衍射探測(cè)材料堆垛層錯(cuò)密度的演變

在研究奧氏體鋼受力形變時(shí)，常用堆垛層錯(cuò)能(SFE)理論解釋氫脆現(xiàn)象。充氫后，SFE降低，使材料的滑移行為趨于平面化，導(dǎo)致更多形變孿晶和堆垛層錯(cuò)的形成從而加劇氫脆效應(yīng)。而之前的研究又發(fā)現(xiàn)，SFE與PSF(堆垛層錯(cuò)概率)成強(qiáng)相關(guān)性。因此，可以通過(guò)精確計(jì)算PSF來(lái)分析材料中的堆垛層錯(cuò)密度演變。

在原位中子衍射實(shí)驗(yàn)中，堆垛層錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部的某些晶面間距發(fā)生微小變化，進(jìn)而使相應(yīng)的衍射峰位置產(chǎn)生偏移。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)比較高階和低階衍射峰(如{222}和{111}晶面)的峰位差異，推導(dǎo)出了PSF隨材料變形的變化。

圖1 (a) 未充氫樣品{222}和{111}晶面的晶面應(yīng)變隨平均真應(yīng)變的變化。在拉伸過(guò)程中，{111}和{222}晶面的應(yīng)變表現(xiàn)出明顯的偏離現(xiàn)象，標(biāo)志堆垛層錯(cuò)的形成。(b) 未充氫樣品原位(黑色曲線)及非原位DLPA(藍(lán)色曲線)的PSF隨應(yīng)變演化。堆垛層錯(cuò)密度隨應(yīng)變?cè)龃蠖撸瑥亩鴮?dǎo)致SFE降低。

充氫對(duì)拉伸性能與缺陷生成的影響

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)充氫樣品和未充氫樣品進(jìn)行原位拉伸實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行原位中子衍射表征。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，未充氫樣品的真應(yīng)變可達(dá)到0.32，且拉伸中斷時(shí)樣品仍保持較高的延展性;而充氫樣品的延性顯著下降，在僅0.12的真應(yīng)變下即發(fā)生斷裂。這種現(xiàn)象表明，充氫操作加劇了材料的脆化，并顯著降低了其變形能力。

此外，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比兩個(gè)樣品的中子衍射數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)與未充氫樣品相比，充氫樣品在未變形狀態(tài)下晶格參數(shù)略有增加，對(duì)應(yīng)的晶格應(yīng)變也有所提高，這表明氫通過(guò)引發(fā)晶格畸變?cè)鰪?qiáng)了材料的強(qiáng)度。在原位拉伸實(shí)驗(yàn)中，充氫樣品的屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力均顯著高于未充氫樣品。這種現(xiàn)象可歸因于氫的溶質(zhì)強(qiáng)化效應(yīng)，即氫本身作為間隙溶質(zhì)引起的晶格應(yīng)變阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

圖2 (a) 充氫樣品(紅色)與未充氫樣品(黑色)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 充氫樣品(紅色)與未充氫樣品(黑色)的應(yīng)變-硬化速率曲線。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究中子衍射峰寬(FWHM)隨應(yīng)變的變化發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)樣品中，峰寬隨應(yīng)變?cè)黾佣@著變寬，而充氫樣品的峰寬增長(zhǎng)速率更快，這表明氫加速了樣品形變過(guò)程中位錯(cuò)與堆垛層錯(cuò)的累積。在真應(yīng)變?yōu)?.12的樣品中，與未充氫樣品相比，充氫樣品的位錯(cuò)密度增加了約1.6倍。這一現(xiàn)象與氫降低位錯(cuò)線能量，從而減少位錯(cuò)成核的激活能密切相關(guān)，支持了氫增強(qiáng)局部塑性(HELP)機(jī)制。

圖3 (a) 充氫樣品(紅色)與未充氫樣品(黑色)的(200)衍射峰寬隨應(yīng)變變化曲線。(b) 充氫樣品(紅色)與未充氫樣品(黑色)的拉伸實(shí)驗(yàn)前后位錯(cuò)密度變化。

中子能夠做什么？

本研究利用原位和非原位中子衍射技術(shù)，結(jié)合DLPA分析，系統(tǒng)分析了高錳奧氏體鋼在氫充環(huán)境中的微觀結(jié)構(gòu)演化及缺陷行為。中子具有相對(duì)較高的穿透深度，能夠獲取包含內(nèi)部氫的樣品整體行為的衍射數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)原位與非原位的中子衍射表征，研究能夠?qū)Χ讯鈱渝e(cuò)和位錯(cuò)進(jìn)行定量分析。中子衍射為理解氫脆機(jī)制提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。