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  • 西安交大发现氢致界面失效新机制

    发布者:系统管理员发布时间:2015-07-01浏览次数:204

    金属材料吸入氢后,可能在远小于屈服强度的应力水平下发生脆性断裂,这是金属材料最危险的破坏方式之一。氢致气泡是氢脆的一种表现形式,传统的理论认为其原因是氢气在界面上聚集并产生了巨大压力,最终造成表层材料鼓起。上述理论尽管可以解释氢泡的生长,但无法解释氢泡的成核。因为根据该理论,氢泡的成核应力将远远超过金属基底的屈服强度,使其发生塑性变形,而这与传统的材料学认知和假设相悖。因此,氢泡起源的背后一定有尚未被揭示的机理。

      西安交大金属材料强度国家重点实验室微纳尺度材料行为研究中心的研究人员认为,氢泡形核界面的动态演化可能是解密的关键。他们通过将传统的楔形样品改为柱形样品,并利用性能独特的环境透射电子显微镜,成功地观察到了铝和其表面氧化物界面上氢泡的成核与长大全过程。他们发现,氢原子能够在表面氧化层中来去自如。而一旦进入到铝和氧化铝的界面,氢原子会极大削弱铝和氧化铝的键合强度,并使得临近界面处的铝原子脱离束缚,自由迁移。在表面能最小化的驱动下,界面处铝一侧会首先形成一些由低能晶面所界定的小坑。当小坑长大到临界尺寸后,其空间内的氢原子会重新形成氢分子,所产生的压力将足以使得表面氧化层发生塑性变形,并形成气泡,而这些气泡的位置和大小具有显著的晶体学取向依赖性。这一发现,对有百年历史的氢脆机理研究有重要的推动作用。 

      上述结果以“In situ study of the initiation of hydrogen bubbles at the aluminum metal/oxide interface” 于2015年6月29日在线发表在《自然-材料》期刊上。参与该项工作的有博士生解德刚,王章杰博士,孙军教授,李巨教授,马恩教授和单智伟教授。该研究得到了国家自然科学基金(51231005、11132006、51401159及51321003)、及其他国家项目的资助。

     


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