北科大《Acta Materialia》重要发现:原子尺度揭示钢的抗氢脆根源!

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导读:高强钢的氢脆是限制其工业应用的重要瓶颈,而碳化铌(NbC)纳米析出相在提升强度的同时也能提高抗氢脆性能。本文利用高分辨透射电镜(HRTEM)直接观察到马氏体钢中NbC与Fe基体的半共格界面处存在大量失配位错,并结合第一性原理计算(DFT)和热脱附谱法(TDS)证实了这些失配位错核心是NbC作为深氢陷阱的根源,并基于这种理念得到具有优异抗氢脆性能的高强马氏体钢。

  马氏体高强钢因出色的力学性能而广泛应用于航空航天、海洋工程、油气开发等领域,但其具有很高的氢脆敏感性,这严重制约了马氏体钢的进一步开发和应用。目前人们对氢脆机理的认识已较明晰,但如何设计高强抗氢脆钢依然是一个重要瓶颈。通过引入晶内氢陷阱来捕获氢是当前抗氢脆设计的重要理念,特别是VC、TiC、NbC等纳米析出相。2020年1月,悉尼大学Yi-Sheng Chen等人在《Science》发表的成果中采用原子探针层析成像技术(APT)直接观察到氢分布在NbC与钢基体界面处(详见:“”)。

  然而,究竟什么结构才是NbC界面处的氢捕获位点?这一个本质问题一直悬而未解,因为界面处含有复杂的结构,包括四/八面体间隙、弹性应变场、空位、失配位错等,而这些无法通过APT辨识。因此,通过确定NbC深氢陷阱的根源才能深刻理解其氢陷阱行为,进而调控析出相以获得优异的抗氢脆性能。

  基于此,北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心乔利杰教授团队采用HRTEM观察、DFT计算、TDS实验等方法从原子层次揭示了NbC与基体半共格界面处的失配位错核心是其深氢陷阱的根源,为进一步调控NbC以获得高强抗氢脆钢提供了理论基础。相关研究成果以“Atomic-scale investigation of deep hydrogen trapping in NbC/α-Fe semi-coherent interfaces”为题,发表在金属材料领域顶级期刊Acta Materialia上,博士生石荣建为论文第一作者。

  论文链接:

  https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.031

  

  研究发现,通过HRTEM原子级观察得到NbC与基体之间为K-S取向关系(图1),并且其半共格界面处存在高密度的两组失配位错。进一步地,通过DFT计算(图2)和TDS实验(图3),分别从原子级模拟和氢陷阱激活能测量两方面揭示了界面处的失配位错核心是NbC深氢陷阱的根源和本质。

  

  图1. NbC/α-Fe半共格界面HRTEM研究。(A)NbC颗粒与基体HRTEM图,插图为快速傅里叶转换(FFT)图;(B1-B4)分别为基体和NbC的FFT图、反傅里叶转换图;(C)晶体取向关系图,表明NbC与基体为Kurdjumov–Sachs(K–S)取向关系;(D-E)半共格界面失配位错(用“⊥”表示)分析

  

  图2. DFT计算不同NbC/α-Fe界面及氢陷阱行为。(A-B)具有Baker–Nutting取向关系的(001)界面、(C-D)含碳空位的(001)界面、(E-F)本研究的K-S界面加氢前后的原子级模拟

  

  图3. TDS实验研究NbC深氢陷阱行为。(A)预充氢后不同升温速率下的TDS图,(B)两个热脱附峰的氢陷阱激活能分别为19.7 kJ/mol(位错等浅氢陷阱)和81.8 kJ/mol(NbC等深氢陷阱)

  

  图4. 本研究与文献中氢陷阱能力和抗氢脆性能的比较

  本研究从原子层次揭示马氏体钢中NbC深氢陷阱的根源——半共格界面处的失配位错核心,以此获得了优异的深氢陷阱能力和抗氢脆性能(图4),这为高强抗氢脆钢的设计提供了重要的理论与实践支撑。利用该研究成果开发出的高强韧、易焊接低合金钢可用于解决我国国防重大需求,已开始百吨级的工业化生产。

  *感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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