南方科技大学王帅教授Acta Materialia:评估氢对疲劳裂纹前应力状态的影响

【引言】

氢气环境下金属材料会出现力学性能的严重退化，这种现象被称为氢脆，是氢能产业发展面临的巨大挑战之一。为了深入理解氢脆的机理，通过原位环境透射电子显微镜观察和力学性能测试，大量的研究已经总结出了氢对离散位错行为的影响机制。然而，人们对氢对位错的集群行为（位错组态）的影响知之甚少，在较高应变水平下发生的位错组织结构的演化过程，以及这些最终如何导致氢致开裂还是个未解之谜。

想要理解裂纹尖端的变形过程与宏观参数（例如应力强度因子范围）之间的关系，需要了解裂纹前的演化微观结构状态。过去的研究往往通过滑移痕迹、表面破坏的形态、DIC以及使用背散射电子衍射等技术分析晶体取向来评估裂纹扩展时的变形过程。这些分析往往假定在表面上观察到的变形总可以反应内部塑性变形的全部特征。

氢对裂纹前端塑性变形的影响的研究就是这样的一个典型例子。氢对疲劳裂纹的扩展有促进作用，但是内在机理现在还缺乏共识。既有研究通过观察裂纹前端滑移痕迹的间距、数量和影响范围等，直观地认为氢的存在减小了裂纹前端塑性区的大小。但是，最近的电镜研究证明了高应变水平下位错组织的复杂性，特别是距裂纹尖端几微米内的位错组织特征无法与表面滑移痕迹的形态一一对应（Shuai Wang et al. Scripta Materialia 166, 102–106, 2019）。这就使得通过表面表征数据评估整体塑性的结果需要谨慎解释。理解氢与材料的相互作用不仅可以促进相关学科的进步，也对氢能源产业的进步有重要的意义。因此，有必要对距离裂纹尖端不同距离的位错形态进行观察和评价，通过联系微观组织变化和宏观力学行为，分析氢对裂纹前端应力状态的演化，获得氢促进疲劳裂纹扩展的机理。

【成果简介】

近日，南方科技大学王帅教授课题组通过聚焦离子束加工和晶带轴明场成像技术（zone-axis diffraction contrast STEM）在扫描透射电镜下对空气和高压氢气环境下（40MPa）相同应力强度因子范围的低碳钢疲劳裂纹尖端附近的位错组织进行了观察，并对其种类、形态和特征尺寸进行了定性和定量分析。发现在空气中疲劳裂纹尖端位错组织以拉长的位错胞状组织和迷宫状组织的形式存在，位错组织化行为在距离裂纹~56µm出开始消失。而氢气环境中位错胞状组织更小并多为等轴形状，位错组织的存在范围延伸到~104µm。通过位错组织特征尺寸评估了裂纹尖端的流变应力分布状态，结合电镜观察结果，第一次从位错的角度证明了在氢气中的疲劳裂纹尖端具有更高的流变应力和范围更广的强塑性区。通过使用不同环境下材料的屈服强度归一化流变应力，发现在空气和氢气中应力分布都与ln(1/x)（x为到裂纹尖端的距离）呈线性关系，且二者斜率相近。这些结果表明氢气环境中裂纹尖端的位错组织演化过程可能与空气中的演化过程相近，但是氢环境下整个位错演化过程都被促进了。

该研究除了从位错角度阐明了氢对裂纹尖端应力分布的影响，另一个值得注意的贡献就是对于不同环境中疲劳裂纹尖端应力分布与距离ln(1/x)的线性关系的证实。虽然这一关系已经被基于塑性的连续介质理论模型预测，但是还是第一次被基于位错的观察证明。研究结果不仅对氢脆机理的研究有重大意义，也对发展连续介质模型预测材料的软化和硬化的理论体系具有一定的参考价值。该成果以题为“Assessment of The Impact of Hydrogen on The Stress Developed ahead of A Fatigue Crack”发表在Acta Materialia上，南方科技大学为通讯作者单位。

【图文导读】

Figure 1.在SEM图像中可以看到裂缝路径的相似和不同（版权归Elsevier所有）

(a,b).在空气和氢气中形成的裂纹路径

(c,d).使用聚焦离子束加工，在空气中和氢气中测试的样品裂纹前端取样的位置。

Figure 2.在没有氢的情况下裂纹尖端前面的位错组织（版权归Elsevier所有）

（a）在空气中距离裂纹尖端~10µm；（b）在空气中距离裂纹尖端~33µm；（c）在空气中距离裂纹尖端~56µm；（d）在空气中距离裂纹尖端~35µm并于裂纹路径呈38º角；

Figure 3.在存在氢的情况下裂纹尖端前的位错组织（版权归Elsevier所有）

（a）氢气中距离裂纹尖端~11µm；（b）氢气中距离裂纹尖端~31µm；（c）氢气中距离裂纹尖端~52µm；（d）氢气中距离裂纹尖端~81µm；（e）氢气中距离裂纹尖端~104µm；（f）（a）中虚线框内的晶体学取向分布图，通过ASTAR透射衍射图样分析获得。

Figure 4.在高压氢气中测试的样品中提取的分支裂纹前端位错组织（版权归Elsevier所有）

(a).在分支裂纹尖端之前约30μm

(b).与（a）中分支裂纹的距离相同，但聚焦离子束加工提取样品位置与（a）有45°的夹角

Figure 5.氢诱导加速裂纹扩展速率（版权归Elsevier所有）

(a).通过使用空气中和氢气环境中裂纹尖端前的位错组织单元的特征尺寸来计算流变应力

(b).归一化流变应力与裂纹尖端归一化距离之间的关系

【小结】

在这个研究中，作者对在空气中和在40MPa高压气态氢环境下循环加载的低碳钢中产生的微观组织作为到平面应变状态下的裂纹尖端的距离的函数进行了比较。氢的存在导致形成更小且更等轴的位错胞状组织，其从裂纹尖端塑性区延伸得比在空气中产生的更远。氢对集群位错组织演化的促进和扩展作用与其改变离散位错的增殖速率、迁移率以及促进位错间相互作用的效应是一致的。对裂纹尖端之前的位错组织的定性评估发现裂纹尖端前方的应力线性变化为ln(1/x)，其中x是裂纹尖端的距离，与测试环境无关。氢气导致裂纹尖端应力分布向更高的应力水平的转变，意味着裂纹扩展的临界损伤水平将更快地实现，同时伴随着裂纹扩展速率的增加。

Assessment of The Impact of Hydrogen on The Stress Developed ahead of A Fatigue Crack

(Acta Materialia, 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.05.028)

本文观察的位错组织处于平面应变状态的裂纹尖端前，对于平面应力状态的裂纹尖端位错组织，读者请移步王帅团队最近发表的另一篇文章，该工作明确的说明了表面滑移痕迹与位错演化的非相关性：

Wang, S., Nygren, K. E., Nagao, A., Sofronis, P. & Robertson, I. M. On the failure of surface damage to assess the hydrogen-enhanced deformation ahead of crack tip in a cyclically loaded austenitic stainless steel. Scripta Materialia 166, 102–106 (2019).

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王帅2018年加入南方科技大学机械与能源工程系。2013年在北海道大学获得博士学位，同年留校任技术辅助员。 2014-2015年在日本国际碳中和能源研究中心(I²CNER)任博士后研究员，2015-2018年在美国威斯康辛大学麦迪逊分校任副研究员。曾作为主要负责人主持和参与日本文部省WPI， 美国国家科学基金，美国能源部，等多项与新能源材料在严苛环境下缺陷行为和力学性能的关键前沿研究项目。担任Current Opinion in Solid State & Materials Science， International Journal of Hydrogen Energy，Metallurgical and Materials Transactions A/B，Computational Materials Science，等多个国际著名期刊的审稿人。 参与编撰普通高等教育“十一五”国家级规划教材一本。目前在国际著名学术期刊发表论文20余篇，其中有6篇以第一作者及通讯作者发表在金属材料领域顶级期刊Acta Materialia。

课题组主要研究方向是材料的跨尺度力学行为，通过透射电镜学及原子模拟关联纳微尺度位错组织和力学性能变化，完善材料在不同服役条件和环境下的性能调控和安全预测模型，并充分利用理论分析的优势，利用“bottom-up”方法论研发具有裂纹治愈、负泊松比、超弹性、耐高温、抗环境失效等特种功能的新型材料。在学生和博士后培养方面，课题组注重亲自动手做电镜能力的培养，并积极为学生提供日本九州大学， 北海道大学， 美国University of Wisconsin-Madison， University of Illinois at Urbana-Champaign等国际知名学府的交流学习机会，欢迎感兴趣的同学和博士后加入！

代表文章：

• Shuai Wang*, Akihide Nagao, Petros Sofronis, and Ian M. Robertson*; Hydrogen-modified dislocation structures in a cyclically deformed ferritic-pearlitic low carbon steel; Acta Materialia; 144,164-176; 2018
• Shuai Wang*, Akihide Nagao, Kaveh Edalati, Zenji Horita, and Ian M. Robertson*; Influence of hydrogen on dislocation self-organization in Ni; Acta Materialia; 135, 96–102; 2017 
• Shuai Wang, May L. Martin, Ian M. Robertson*, and Petros Sofronis;Effect of hydrogen environment on the separation of Fe grain boundaries; Acta Materialia; 107, 279–288; 2016 
• Shuai Wang, May L. Martin, Petros Sofronis, Somei Ohnuki, Naoyuki Hashimoto, and Ian M. Robertson*; Hydrogen-induced intergranular failure of iron; Acta Materialia; 69, 275282; 2014