Science重磅：单一氢原子在铁素体氢陷阱中的原子尺度上的三维观察

【引言】

由于氢原子的引入造成材料韧塑性剧烈损失的效应称为氢脆，其主要与材料内部中的可扩散氢与材料的交互作用有关。氢脆现象非常普遍，尤其是高强金属材料中，给人类生活带来重大损失和灾难。 预防氢脆目前主要体现在三个方面：（1）从源头上禁止氢的引入，如制造过程中的退火脱氢；（2）使用过程中避免氢的进入，如抑氢涂层；（3）通过材料成分结构设计，使已经进入材料的氢成为不可扩散氢，从而不体现出氢脆效应。本文通过实验，从原子尺度上直接观察并证明铁素体钢中的碳化物，可以成为有效俘获可扩散氢的氢陷阱，从而提高材料的抗氢脆敏感性能。

【成果简介】

近日，由来自牛津大学的D. Haley（通讯作者）等在Science上发表了一篇名为“Direct observation of individual hydrogen atoms at trapping sites in a ferritic steel”的文章。文中，研究人员在微观尺度上研究铁素体钢中的碳化物与氢的相互作用时，摒除传统研究方法和设备的各种限制和干扰，对铁素体钢采用氘（D）代替同位素氢（H）作为引入的氢源，并在低温下传输以此“固化”氢防止其扩散，然后再借助新型原子探针层析技术(APT) ，进而实现从原子尺度上对铁素体钢中碳化物和单个氢原子在三维分布上的高分辨直接观察。结果显示，引入的氢原子主要俘获于碳化物核心附近，即表明铁素体中的碳化物可以成为氢的有效陷阱，从而提高抗氢脆敏感性能。

【图文导读】

图1. 实验所用铁素体钢

（a）实验用铁素体钢（Fe-0.096C-1.6Mn-0.026Si-0.51Mo-0.25V-0.05Al-0.056Nb (wt%) ）的TEM明场像图。从中可看出，碳化物在铁素体中较精细均匀分布。

（b）所含碳化物(VC表示)中V元素在铁素体钢中三维(3D)分布APT图。其中蓝色原点表示钫(V)元素，代表碳化物。

（c）距离碳化物/基体界面不同位置处各元素含量分布曲线。包括Fe, V, Mo, C四元素，为了便于观察，极少量的Nb未显示。

图2. 引入氢源“氘”(D)后铁素体钢APT图

（a）引入氢源“氘”（D/(或表示为)²H）后铁素体钢中碳化物和氢源“氘”（D/²H）在三维（3D），xy，yz方向上的的分布APT图。红色原点表示氢源“氘”（D），即质谱图中的红色峰（D/²H），蓝色原点表示V元素，即碳化物。从中可以看出，引入的氢源“氘”（D/²H）在三维方向上都主要分布在碳化物附近。

（b）H/D质谱图。

图3. 充氘碳化物的联合分析

为解决碳化物陷阱中的氘（D）是处在与碳化物的界面处附近还是进入了碳化物颗粒内部的争端，特意进一步研究了氘（D）与碳化物颗粒间的相对位置。为此将所有含超过100个总原子数的碳化物颗粒进行叠加和归一化分析，得到碳化物中氘（D）所占原子比为0.5%时得到的碳化物颗粒轮廓。依据如果氘（D）被限制在碳化物表面的界面区域，则会会呈现U形轮廓这一结论，但实验归一化结果并未显示如此。这一结果与先前Ohnuma et al相反，但与Malard et al.研究结果却相似，Malard et al认为10%原子比的氢进入了颗粒内部。而本实验结果显示最多只有0.6%，此处认为可能与实验过程中氢的逸散有关。

【小结】

本文通过改变以往关于氢脆的传统研究方法和表征技术，对铁素体钢采用氘（D）代替同位素氢（H）作为氢源，并通过低温传输来防止氢扩散，并借助新型原子探针层析技术(APT) ，进而实现对铁素体钢中碳化物和单个氢原子在三维分布上的高分辨直接观察。证明了铁素体中的碳化物可以成为氢的陷阱，从而提高抗氢脆敏感性能。另外，还对碳化物俘获的氢原子在碳化物颗粒核心所处的位置进行了初步探讨，并提出本实验研究方法和表征技术在其他氢陷阱（如晶粒和晶界）及其他研究材料体系（镍基高温合金材料、钛合金，奥氏体钢等）中的研究通用性。

【文献信息】

文献链接：Direct observation of individual hydrogen atoms at trapping sites in a ferritic steel (Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal2418)

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