金屬材料在氫脆（HE）問題是一個普遍存在，危害巨大，尚未解決且急需解決的科學難題。當氫元素進入金屬材料中，材料的力學性能（如延展性，斷裂韌性等）會發生退化，多數情況下含氫的金屬材料表現為塑性減損，在拉伸試驗中更易發生脆性斷裂，這一現象被稱之為氫脆。氫作為清潔能源被寄予厚望，但是氫脆問題帶來的安全隱患在一定程度上制約氫能源的發展。然而自1874年氫脆首次被提出以來，儘管過去將近一個半世紀的時間，已經觀察到並詳細研究了氫脆，但基於物理的氫脆量化機制還不具備。
本研究提出一種普適的原子尺度氫脆量化機制，揭示了捕獲氫原子後的金屬晶體內聚作用減損的一般規律，並且給出相應的物理模型。相關論文以題為「A quantification study of hydrogen-induced cohesion reduction at atomic scale」發表在 Materials & Design。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110702
具體而言，對於完美晶體而言，當氫原子被金屬的晶格間隙捕獲，將會導致間隙局域電子密度增加，使得間隙處Pauli斥力相對於靜電吸引力顯著增強，原本的排斥與吸引平衡被打破，導致晶格膨脹，從而金屬內聚作用降低。同時，為了驗證該機制，也開展了第一性原理模型，分別比較了不同金屬捕獲氫原子前後，最近鄰原子距離和最大內聚強度的理論結果與模擬結果。所有的理論預測與模擬結果吻合良好。同時，該物理模型還揭示了被俘獲H原子的含量和位置以及主體金屬的電子結構性質共同決定了俘獲H原子後晶格的內聚強度。
圖 1：（a）顯示總內聚強度和其分量(Pauli斥力，靜電吸引力)隨原子間最近鄰距離的變化；（b）顯示總內聚強度與其分量(Pauli斥力，靜電吸引力)對原子間距變化率隨原子間最近鄰距離的變化。反映出Pauli斥力貢獻大於靜電吸引，尤其在原子間距減小時。
圖 2. (a)和（b）分別展示了不同金屬正四和正八面體間隙捕獲氫原子，最大內聚強度減損和最近鄰原子變化率的第一性原理模擬結果。反映出內聚作用減損與原子間距變化相關聯。
圖 3 (a)和（b）分別展示了不同金屬正四和正八面體間隙捕獲氫原子後的差分電荷密度圖。黑球是氫原子，其他顏色球是金屬原子，紫色表示電子消散，綠色表示電子聚集。反映出氫原子的影響具有共性，即電子會在捕獲處間隙匯集，局域電子密度增大。
圖 4 (a) 和（b）分別展示了不同金屬正四和正八面體間隙捕獲氫原子，晶格膨脹率和最大內聚強度的理論與模擬結果。
總結：
本研究為預測臨氫環境下金屬材料力學性能演化奠定基礎。該研究提供一個原子尺度氫致內聚減損的物理量化機制，根據該機制可以得到三個結論：
- 金屬中被捕獲的氫原子通常會增加捕獲間隙處的電子密度；
- 內聚力降低的本質是：局域電子密度的增加，泡利斥力的顯著增強使晶格膨脹，從而內聚力減弱；
- 建立原子尺度物理模型來描述上述過程並量化內聚力的減損，揭示內聚力降低不僅與基本的金屬電子結構性質、被捕獲的 H 原子的含量有關，而且與被捕獲的 H 原子的位置有關。
作者簡介：
第一作者：胡世威，中國工程物理研究院總體工程研究所與中國科學技術大學聯合培養博士研究生。研究方向：臨氫環境下金屬材料力學性能演化的預測方法研究。郵箱：hushiwei@mail.ustc.edu.cn
通訊作者： 尹益輝 研究員，中國工程物理研究院總體工程研究所。研究方向：氫脆；結構優化設計；材料力學行為。郵箱：yinyh@caep.cn
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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