氢元素不仅以氢气和硫化氢广泛存在于能源和石化行业中，也以液态水和水蒸气的形式在地球表面无处不在。由于氢的原子半径极小，很容易进入到材料内部导致材料塑性降低和延迟开裂，导致所谓的氢脆。氢脆具有易发生、难预防的特点，一旦发生往往造成重大安全事故，因而是交通、能源、石化等多个行业共同关注的材料安全难题。钢铁是用途最广、用量最大，氢脆问题也最为显著的金属结构材料。对氢脆内在机理的准确认知是建立氢脆预测模型和材料抗氢脆设计的基础。尽管目前所提出的氢脆机理很多，但都仅能对部分氢脆现象给予合理的解释，这表明氢脆复杂表象背后的基本物理机理仍没有被揭示，而其中最关键的问题就是塑性载体位错（在钢铁材料的塑性变形中，螺位错起主导作用）和氢之间的相互作用机理。随着技术的进步，在过去的几十年间，学者们进行了大量关于氢对位错运动行为影响的研究，但都未能实现在单个位错水平上对氢和位错的交互作用进行定量的测试。
针对上述难题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的研究人员选取单晶纯铁作为模型材料，设计了一种完全定量的原位环境透射电镜纳米力学测试方法，首次实现了在单个位错水平上对氢和位错的交互作用进行定量的测试。实验结果用直观详实的证据证明了氢会促进纯铁中位错的运动；同时还发现循环加载/卸载可促进氢从材料氢陷阱中脱附，使位错恢复无氢时的行为。这些在单个位错尺度上的定量测试结果将为氢脆机理建模提供坚实的实验基础，为抗氢脆材料的设计提供方法论的指导。相关成果以“Quantitative tests revealing hydrogen enhanced dislocation motion in α-iron”为题发表在最新一期的《自然·材料》杂志上。
图1 研究氢对位错运动影响的实验方案示意图
西安交通大学的解德刚副教授和单智伟教授为该论文的共同通讯作者，西安交大博士生黄龙超和上海交通大学陈登科副教授为论文共同第一作者。参与该工作的还有西安交通大学的马恩教授、李苏植教授，麻省理工李巨教授、张寅博士，佐治亚理工大学朱廷教授和德国马克斯-普朗克研究所Dierk Raabe教授。该研究得到了国家自然科学基金委、陕西省博士后科学基金及上海浦江人才计划等项目的支持。
近年来，金属材料强度国家重点实验室在金属材料氢脆及氢损伤机理研究上取得了一系列进展，详见：Nat Mater 14, 899-903 (2015)；Nature Communications 7, 13341 (2016)；Nature Communications 8, 14564 (2017)；Corrosion Science 183, 109307 (2021)。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01537-w