由于氢的原子半径极小，很容易进入到材料内部导致材料塑性降低和延迟开裂，导致所谓的氢脆。氢脆具有易发生、难预防的特点，一旦发生往往造成重大安全事故，因而是交通、能源、石化等多个行业共同关注的材料安全难题。

钢铁是用途最广、用量最大，氢脆问题也最为显著的金属结构材料。对氢脆内在机理的准确认知是建立氢脆预测模型和材料抗氢脆设计的基础。尽管目前所提出的氢脆机理很多，但都仅能对部分氢脆现象给予合理的解释，这表明氢脆复杂表象背后的基本物理机理仍没有被揭示，而其中最关键的问题就是塑性载体位错（在钢铁材料的塑性变形中，螺位错起主导作用）和氢之间的相互作用机理。随着技术的进步，在过去的几十年间，学者们进行了大量关于氢对位错运动行为影响的研究，但都未能实现在单个位错水平上对氢和位错的交互作用进行定量的测试。

西安交通大学单智伟教授、解德刚副教授团队通过研究单个螺位错（screw dislocations）在α-铁中的可控、循环、弓出运动（bow-out motion），本工作发现在2 Pa电子束激发的H2气氛中启动位错运动的临界应力比在真空环境中低27-43%，证明了氢增强了螺位错运动。此外，本工作发现除了真空脱气外，循环加载/卸载（cyclic loading and unloading）有利于氢从材料氢陷阱中脱附，使位错恢复无氢时的行为。这些在单个位错尺度上的定量测试结果将为氢脆机理建模提供坚实的实验基础，为抗氢脆材料的设计提供方法论的指导。

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图文解析

▲图1.揭示氢对位错运动影响的实验装置示意图

要点：

1、本工作设计了一个完全定量的原位ETEM力学测试方案，如图1所示，它能够在真空和含氢环境下观察和比较相同位错段的弓出运动。

2、为了避免薄翼型问题，本工作制备了亚微米尺寸的自支撑圆柱形α-铁柱，并对其施加循环应力，目的是去除大部分预先存在的位错，同时保留少数独立的螺旋位错，这些位错在钉扎点之间表现出良好控制的弓出运动。

3、在弓出运动中，位错通过从直线逐渐转变为弓出构型随外加应力的增加而运动，如图1c所示。卸载后，位错段回复到原来的平衡形状和位置，表明弓出运动是可逆的，暂时剪切区域没有发生新的钉扎。通过保持恒定的低循环应力，这种受控的位错运动在一系列测试循环中被精确地重复，从而允许量化位错响应的变化，例如，在不同的环境条件下，以高度控制的方式激活每个位错的运动所需的应力和其滑移距离，如图1d所示。与以往的实验相比，本工作的实验装置减少了表面和边界条件的可能变化以及不均匀应力对位错运动的影响。

▲图2. 氢化对螺型位错弓出运动的影响

要点：

1、图2a显示了典型的位错(标记为1)在循环压缩下表现出稳定且完全可逆的弓出运动。它是一种在{112}滑移面上具有Burgers矢量½的优势螺杆类型。测试开始于真空环境下，由11个连续的载荷循环组成，编号为N=1-11。

2、在对比未置氢和置氢条件下位错1的运动之前，本工作再次证实了在2 Pa H2气氛下，经过12次加载循环后，弓出运动稳定且完全可逆，支柱内部的微观结构保持不变，保证了对比的可靠性。然后本工作观察到，在2 Pa H2中，位错1的弓出运动表现出振幅增大的现象，通过比较其在真空和氢化状态下σmax处的构型可以看出(图2b)。

3、为了进一步量化氢化引起的位错运动变化，本工作对整个原位测试过程中记录的视频中位错1的位置与加载时间或应力之间进行了逐帧关联。在每个循环中，只有当外加应力增加到一个临界值(位错激活应力σc)以上时，位错1的运动才被激活。

4、此外，本工作注意到，对于上述的参考实验，如果位错完全运动出氢气氛，在随后的运动过程中，其δmax值有望接近真空中的δmax值。氢化后几乎所有循环中δmax的增加表明氢气氛在其弓出运动过程中与位错一起运动。因此，增强的位错迁移率应该来源于位错与扩散速度相匹配的氢原子之间的直接相互作用。

▲图3. 氢脱气对位错行为的影响

要点：

1、接下来，本工作研究了将氢环境切换回真空后，位错响应是否可以反转。在遵循N=12的2 Pa H2的加载循环中，由于偶然的脱钉事件，位错1的构型发生了变化。因此，本工作不得不增加下一个加载阶段的应力幅，以引入另一个类似的位错。该位错在σmin(~35 MPa)和σmax(~353 MPa)之间的循环载荷下表现出稳定的弓出运动。

2、图3b~d为脱气前后循环中位错2的形状和位置随应力的变化。在脱气前的23个载荷循环中，应力驱动的位错运动几乎相同，平均δmax=6.2±0.5 nm和σc=182.3±20.8 MPa。

3、脱气后测得的σc在第一次再加载循环中保持不变，然后逐渐增加，直到第9次循环后达到平台值321.2±7.1 MPa，表明氢化状态下的活化应力σc比无氢状态(图3e,f)低~43%。这些结果表明氢-位错相互作用的可逆性质，与脱气后在低氢浓度的块体金属中观察到的常规塑性流动的恢复相一致。

▲图4. 氢添加螺型位错滑移的原子机制

1、图4a中的NEB结果揭示了在可分辨剪应力τyz=24 MPa下，螺旋位错滑移的代表性MEP。与之前NEB在无氢bcc金属中的结果类似，相关扭结形核控制了螺位错滑移的激活过程。

2、特别地，氢原子为扭折形核(图4b,c)提供了有利的位置，导致螺旋位错滑移的能垒较低(从无氢的能垒E=0.47 eV到有氢的能垒EH=0.42 eV)。此外，如附图7所示，能垒(ΔE=E-EH=0.05 eV)的降低对施加(τyz=0~58 MPa)的可分辨剪应力范围并不敏感。

3、通过追踪氢原子周围扭结形核过程的中间原子构型，本工作进一步评估了沿螺型位错线核心不同位置氢的结合能差异，如图4f，g所示。Fe和H之间的相互作用能主要由嵌入能决定，嵌入能是间隙位局域电子密度的函数，即由六个最近邻的铁原子围绕一个氢原子组成的多面体。

4、这些结果表明，当位错线几乎平直时，氢对扭对形核的影响可能是位错运动增强的潜在机制。然而，控制氢致位错弓出增加程度的主要因素仍不确定。这是因为氢不仅可以降低扭对对弓出位错的形核势垒，还可以通过降低位错线张力来降低位错弓出应力，导致位错弓出程度增加。这些不确定性值得未来进一步研究。