客观日本

克服氢脆迈出一大步!日本东北大学在纳米水平观察到氢脆机制

2020年06月12日 化学材料

日本东北大学金属材料研究所的小山元道等人,开发出了利用扫描型电子显微镜(SEM)在纳米水平观察氢如何随着时间变化影响金属内部结构的方法。

氢会削弱金属的强度,这种现象被称为氢脆。当金属被腐蚀或者暴露于氢气中时,氢就会进入金属中,氢脆成为了高强度金属应用中的瓶颈。为了开发和评测存在腐蚀可能性的车身用高强度钢,以及氢能源社会的基础设施用结构材料,就必须要查清氢脆的机制。

妨碍查清氢脆机制的主要原因之一是难以观察到相关现象。氢原子是最小的原子,因此会在金属中四处移动,有时还会跳到金属外面。因此,需要在注意“时间”的同时,在“纳米水平”观察随着氢原子的运动而不断发生变化的金属的内部结构。

此次的研究利用电子通道对比成像法,成功在纳米水平观察了含氢金属的内部结构的时间变化。该方法与其他方法相比,对观察样本的形状限制较小,因此可以观察氢在不同形状的金属片中的影响以及在负载环境中的影响。为了开发强度更高且更耐氢的材料,该方法有望为所有与氢有关的研究做出贡献。

观察结果如图1所示,图中白色的位置是金属中的缺陷,是不容易存在原子的部分,这被称为“位错”。受力或受热后,位错便开始移动,导致金属变形、强度变化以及遭到破坏。图中用蓝色标记的位错在导入氢后大幅移动。此时未向样本施加外力和热,表明是氢的存在引起位错移动的。结合此次的观察和计算模拟结果发现,不仅是位错与氢之间的相互作用,与另一种缺陷——晶界之间的三体相互作用也会引起这种现象。

title

图1:导入氢之后的金属内部结构的时间变化。从上到下依次为经过1小时、2小时和3小时后的图像。

除了对观察样本的形状限制较小以外,该方法还有一个特点是,与其他方法相比,无需复杂的环境和复杂的试片形状,与仿真具有良好的兼容性。而且该方法无需使用特殊的装置,因此有望成为一种通用方法,用于开发、研究和评测在氢环境下使用的高强度材料。

论文信息
题目:Origin of micrometer-scale dislocation motion during hydrogen desorption
期刊:《Science Advances》
DOI:10.1126/sciadv.aaz1187

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

专题网页