北京科技大学 | Nature Communications | 氢脆机制再加一条：不是解理、不是位错滑移，而是裂纹尖端原子扩散

2026-09-11 14:31:41 作者：金属学习日志来源：金属学习日志分享至：

速读：研究利用原子分辨环境透射电镜直接比较纯Al在真空和H₂环境中的裂纹尖端演化。真空下，裂纹扩展伴随表面台阶迁移、位错形核与攀移，位错活动可释放尖端弹性应变；H₂环境中则未观察到明显位错形核，裂纹前沿原子连续脱离并沿表面定向迁移，形成由空位生成—表面原子扩散—台阶迁移主导的扩散型开裂。DFT显示H显著削弱邻近Al-Al键，使表面原子扩散势垒由0.12降至0.09 eV，扩散变形速率理论上最高可提高约10⁴倍；氢充条件下裂纹尖端空位浓度约3.1×10⁻⁴，较无氢状态高近一个数量级，裂纹扩展所需最大弹性应变也由约15%降至10%以下。该机制区别于经典HELP、HEDE和HESIV，其主导需要较高局部氢逸度和较低应变率。进一步对Al-7Zn-2Mg-1Cu-X合金验证发现，合金元素扩散激活能越高，氢脆敏感性整体越低，提示抑制原子扩散可作为铝合金抗氢脆设计方向。

精选图文

基础信息

成分体系：高纯Al

组织特点：主体实验采用高纯FCC-Al薄膜，并非析出强化或多相铝合金，因此初始组织没有复杂第二相设计。原位裂纹尖端由{111}和{200}表面晶面构成。真空拉伸时，尖端主要发生表面台阶迁移，并伴随位错形核、攀移和偶发滑移；H₂环境下，裂纹尖端转变为明显的扩散控制结构演化，原子从裂纹前沿脱离并向裂纹侧壁迁移，同时出现空位形成、表面重构和频繁台阶迁移。氢充样品裂纹尖端空位浓度约3.1×10⁻⁴，无氢状态约3.5×10⁻⁵，说明氢在尖端构建了明显的富空位、扩散活跃区域。

合金工艺：主体实验直接采用99.999 wt.%高纯Al箔，先切成约0.5 mm厚板材，用SiO₂悬浮液机械抛光至约100 μm，再经Ar离子减薄至电子透明；在薄膜中央制孔，使孔缘形成适合裂纹萌生和原子分辨观察的薄区。随后使用环境TEM拉伸台进行准静态原位加载，对照实验分别在高真空和H₂环境进行；氢实验中腔体H₂分压约0.1 Pa，电子束促进H₂解离，作者估算裂纹尖端局部氢逸度达到约8.1×10²–5.6×10⁴ Pa。用于合金设计验证的Al-7Zn-2Mg-1Cu-X系列则经400 ℃×24 h→470 ℃×24 h均匀化、400 ℃热轧15→2.5 mm、450 ℃×1 h→470 ℃×1 h→480 ℃×0.5 h固溶、水淬、120 ℃×24 h时效后进行低应变速率动态充氢拉伸。

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