金屬材料在氫脆（HE）問(wèn)題是一個(gè)普遍存在，危害巨大，尚未解決且急需解決的科學(xué)難題。當(dāng)氫元素進(jìn)入金屬材料中，材料的力學(xué)性能（如延展性，斷裂韌性等）會(huì)發(fā)生退化，多數(shù)情況下含氫的金屬材料表現(xiàn)為塑性減損，在拉伸試驗(yàn)中更易發(fā)生脆性斷裂，這一現(xiàn)象被稱之為氫脆。氫作為清潔能源被寄予厚望，但是氫脆問(wèn)題帶來(lái)的安全隱患在一定程度上制約氫能源的發(fā)展。然而自1874年氫脆首次被提出以來(lái)，盡管過(guò)去將近一個(gè)半世紀(jì)的時(shí)間，已經(jīng)觀察到并詳細(xì)研究了氫脆，但基于物理的氫脆量化機(jī)制還不具備。

本研究提出一種普適的原子尺度氫脆量化機(jī)制，揭示了捕獲氫原子后的金屬晶體內(nèi)聚作用減損的一般規(guī)律，并且給出相應(yīng)的物理模型。相關(guān)論文以題為“A quantification study of hydrogen-induced cohesion reduction at atomic scale”發(fā)表在 Materials & Design。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110702

具體而言，對(duì)于完美晶體而言，當(dāng)氫原子被金屬的晶格間隙捕獲，將會(huì)導(dǎo)致間隙局域電子密度增加，使得間隙處Pauli斥力相對(duì)于靜電吸引力顯著增強(qiáng)，原本的排斥與吸引平衡被打破，導(dǎo)致晶格膨脹，從而金屬內(nèi)聚作用降低。同時(shí)，為了驗(yàn)證該機(jī)制，也開(kāi)展了第一性原理模型，分別比較了不同金屬捕獲氫原子前后，最近鄰原子距離和最大內(nèi)聚強(qiáng)度的理論結(jié)果與模擬結(jié)果。所有的理論預(yù)測(cè)與模擬結(jié)果吻合良好。同時(shí)，該物理模型還揭示了被俘獲H原子的含量和位置以及主體金屬的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)共同決定了俘獲H原子后晶格的內(nèi)聚強(qiáng)度。

圖 1：（a）顯示總內(nèi)聚強(qiáng)度和其分量（Pauli斥力，靜電吸引力）隨原子間最近鄰距離的變化；（b）顯示總內(nèi)聚強(qiáng)度與其分量（Pauli斥力，靜電吸引力）對(duì)原子間距變化率隨原子間最近鄰距離的變化。反映出Pauli斥力貢獻(xiàn)大于靜電吸引，尤其在原子間距減小時(shí)。

圖 2. （a）和（b）分別展示了不同金屬正四和正八面體間隙捕獲氫原子，最大內(nèi)聚強(qiáng)度減損和最近鄰原子變化率的第一性原理模擬結(jié)果。反映出內(nèi)聚作用減損與原子間距變化相關(guān)聯(lián)。

圖 3 （a）和（b）分別展示了不同金屬正四和正八面體間隙捕獲氫原子后的差分電荷密度圖。黑球是氫原子，其他顏色球是金屬原子，紫色表示電子消散，綠色表示電子聚集。反映出氫原子的影響具有共性，即電子會(huì)在捕獲處間隙匯集，局域電子密度增大。

圖 4 （a） 和（b）分別展示了不同金屬正四和正八面體間隙捕獲氫原子，晶格膨脹率和最大內(nèi)聚強(qiáng)度的理論與模擬結(jié)果。

總結(jié)：

本研究為預(yù)測(cè)臨氫環(huán)境下金屬材料力學(xué)性能演化奠定基礎(chǔ)。該研究提供一個(gè)原子尺度氫致內(nèi)聚減損的物理量化機(jī)制，根據(jù)該機(jī)制可以得到三個(gè)結(jié)論：

1、金屬中被捕獲的氫原子通常會(huì)增加捕獲間隙處的電子密度；

2、內(nèi)聚力降低的本質(zhì)是：局域電子密度的增加，泡利斥力的顯著增強(qiáng)使晶格膨脹，從而內(nèi)聚力減弱；

3、建立原子尺度物理模型來(lái)描述上述過(guò)程并量化內(nèi)聚力的減損，揭示內(nèi)聚力降低不僅與基本的金屬電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)、被捕獲的 H 原子的含量有關(guān)，而且與被捕獲的 H 原子的位置有關(guān)。

審核編輯 ：李倩