我们通过原位拉伸实验研究了氢（H）和滑移在镍基合金725裂纹萌生中的作用。实验结果表明，氢并未增强局部滑移，且滑移对裂纹萌生并非必需。采用电化学充氢法向样品引入氢，通过熔融萃取法测量氢含量，并利用数字图像相关技术（DIC）分析扫描电子显微镜（SEM）中原位拉伸测试的局部塑性应变。裂纹既在邻近局部滑移的区域萌生，也在无滑移的区域萌生。此外，氢含量越高，无滑移区域萌生的裂纹比例越大。滑移辅助的裂纹萌生通常发生在晶间滑移受阻的位置，尤其是滑移共格孪晶界（CTB）与薄孪晶片层相交处；而无滑移区域萌生的裂纹则与更广泛的微观结构特征相关，如夹杂物、三叉晶界和表面缺陷。

2. 文章亮点

1. 氢对局部滑移的抑制作用未被证实
研究发现氢并未增强镍基合金725的局部滑移，且滑移对裂纹萌生并非必需，挑战了传统氢增强局部塑性（HELP）机制在该材料中的适用性。

2. 无滑移区域的裂纹萌生机制
实验首次观察到高氢含量下裂纹可在无局部滑移的区域（如夹杂物、三叉晶界）直接萌生，表明氢通过降低材料内聚强度而非促进滑移导致开裂。

3. 滑移阻碍位点与裂纹萌生的关联
裂纹倾向于在滑移受阻处（如共格孪晶界与薄孪晶片层相交处）萌生，揭示了局部应力集中与氢协同作用的新机制，为氢脆防控提供新靶点。

3. 研究背景

UNS N07725（合金725）是一种高强度、耐腐蚀的镍基合金。当暴露于氢（H）环境中时，该合金会发生氢脆（HE），表现为延展性下降，从而限制其作为结构材料的性能。在无缺陷的合金725构件中，裂纹萌生是导致氢致失效事件链的第一环节。此外，裂纹扩展可能通过主裂纹前方微裂纹的重复萌生和连接实现。因此，理解裂纹萌生机制对于预测在富氢环境中工作的构件寿命以及开发新型抗氢脆合金至关重要。

氢增强局部塑性（HELP）和氢增强解聚（HEDE）是解释镍基合金氢脆的两种假说机制。HEDE认为氢会削弱原子键合力，而HELP则提出氢会促进局部塑性变形，进而引发断裂。然而，这两种机制仍存在争议。已知氢会降低材料的内聚强度（例如沿晶界（GBs），但尚不清楚这种削弱程度是否能完全解释实验观察到的脆化现象。尽管有证据表明氢能增强镍中单个位错的固有运动性，但这并不意味着氢会像在合金725这类沉淀强化材料中一样导致塑性应变更加局部化。此外，虽然局部塑性确实会促进某些材料（如金属玻璃中的剪切带）的断裂，但关于其在氢脆中作用的证据通常是间接的，例如通过断口表面观察到的滑移线、位错密度增加或沿滑移带分布的裂纹。值得注意的是，HEDE和HELP机制主要关注已有裂纹的扩展，而非新裂纹的萌生。

近期关于合金725氢脆的研究集中于微观结构元素的作用及其对材料脆化敏感性的影响。晶界是合金725中裂纹萌生和扩展的优先位置，其中共格孪晶界（CTBs）尤其容易引发裂纹，而沿平行于CTBs的滑移带的位错滑移被认为是主要原因。然而，局部滑移在裂纹萌生中的作用通常是通过事后分析推断的，而非通过原位实验直接观察。因此，尚不清楚滑移是导致裂纹萌生的原因，还是萌生引发滑移，或两者有共同诱因，亦或其空间关联仅为偶然。此外，氢在滑移辅助裂纹萌生中的作用仍不明确。

本研究通过系统调控氢含量的专门实验，结合扫描电子显微镜（SEM）中的原位拉伸测试和数字图像相关技术（DIC）量化表面滑移，旨在解决上述问题。

4. 图文解析

5. 文章结论

通过结合原位力学测试、数字图像相关（DIC）和熔融萃取技术，我们揭示了氢（H）含量对无缺陷镍基合金725表面裂纹萌生的影响规律。研究发现，未充氢样品中未观察到裂纹萌生，而随着氢含量的增加，单位表面积上的裂纹萌生事件数量显著增多。在低氢含量下，所有裂纹均萌生于局部滑移区域附近；但在高氢含量下，部分裂纹可在无邻近滑移的区域直接萌生，且此类裂纹的比例随氢含量升高而增加。这表明，低氢环境中滑移对裂纹萌生至关重要，而高氢环境中滑移的必要性降低。

本研究明确了合金725中氢脆裂纹萌生的多机制共存特性：低氢下以滑移诱导的应力集中为主导，高氢下则更多由氢致键合弱化直接驱动。这一发现为针对不同氢环境优化合金设计提供了理论依据——例如通过调控孪晶片层厚度或减少表面缺陷以抑制裂纹萌生。

全文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado2118