氢能作为交通、发电及工业过程中的能源载体，在减少二氧化碳排放方面具有关键潜力，然而氢运输和存储所用金属及合金易发生氢脆（HE），导致延展性、韧性和抗疲劳性下降，甚至引发突发灾难性失效，这已成为氢能经济安全发展的重要科学挑战。尽管百余年研究提出了多种氢脆相关机制与模型，但直接保护材料中易受氢影响的特定微观结构特征的解决方案仍有待探索。钢作为全球基础设施的核心材料，年产量近 19 亿吨，其多种变体均存在不同程度的氢脆问题，其中马氏体钢因高强度及复杂密集的界面结构，氢脆敏感性极高，严重限制了其在氢能相关领域的应用，因此开发针对马氏体钢等金属材料的抗氢脆策略具有重要的实际意义。
【论文概况】：
论文聚焦于间隙溶质在保护金属材料中易受氢影响的关键晶体缺陷方面的作用，旨在解决金属的氢脆问题。通过从头算计算发现，晶界固溶体中的硼和碳能有效阻止氢偏聚。基于这一发现，研究人员以氢脆敏感性高的马氏体钢为研究对象，通过在其易受氢影响的界面掺杂不同浓度的硼和碳，实现了界面保护理念。为验证效果，研究设计了四种微观结构（LC、LC+B、LC+LTT、LC+B+LTT），其中硼的添加主要增强 prior austenite 晶界，低温回火（LTT）则能诱导碳在各类界面偏聚并降低淬火诱导马氏体相变产生的内应力。借助电子背散射衍射（EBSD）、同步辐射 X 射线衍射（SXRD）、原子探针层析（APT）等多种表征手段，对四种微观结构进行了系统分析。慢应变速率拉伸试验、热脱附光谱（TDS）等测试结果表明，硼和碳的偏聚结合应力松弛，使氢渗入量减少一半，其中 LC+B+LTT 结构表现最佳，残余延展性始终保持在 80% 以上，展现出前所未有的抗氢脆性能。此外，研究还深入探讨了残余奥氏体的稳定性、氢的溶解与扩散规律以及裂纹扩展路径等，揭示了间隙溶质偏聚和应力松弛提升抗氢脆性能的内在机制，该定制化间隙溶质偏聚策略有望推广至其他易发生氢致界面失效的金属材料。
1. 通过从头算计算筛选出硼、碳等最优间隙溶质，明确其兼具增强晶界内聚性与排斥氢的双重作用，为抗氢脆材料设计提供了原子尺度的理论依据。
2. 提出了 “间隙溶质掺杂界面保护” 策略，在马氏体钢中实现硼在 prior austenite 晶界、碳在马氏体晶界的定向偏聚，结合低温回火的应力松弛效应，协同提升抗氢脆性能。
3. 实验验证了 LC+B+LTT 结构的卓越抗氢脆能力，氢渗入量显著降低，残余延展性保持在 80% 以上，突破了传统马氏体钢易氢脆的局限。
4. 多尺度表征与测试手段结合，从微观结构、化学组成、力学性能到氢迁移行为，全面揭示了抗氢脆的内在机制，为该策略的推广提供了坚实的实验支撑。
图 1 | 确定最适合防止钢中界面氢偏聚的溶质的策略。a 不同钢微观结构的极限抗拉强度与氢脆指数的关系。填充符号的大小与氢浓度成正比，而空心符号未提供氢浓度信息。b 充氢马氏体钢中观察到的主要裂纹扩展路径，包括 prior austenite 晶界（PAGBs）、{001} 晶面、来自位错滑移面或马氏体边界（MBs）的 {011} 晶面以及夹杂物 / 析出相界面的脱粘。c 掺杂溶质 X 的晶界（GB）内聚能与氢和该掺杂晶界相互作用能的关系。为便于比较，还标注了 E_{H-GB}^{coh}=0.31 eV 和 E_{H-GB}^{inter}=-0.41 eV。d-g 掺杂溶质对晶界和氢偏聚的不同作用机制示意图。h-i 利用 Miedema 模型确定的铁与不同溶质、碳与不同溶质的混合焓随溶质 X 与 α- 铁晶界相互作用能（E_{X-GB}^{inter}）的变化关系。
图 2 | 硼添加和低温回火对马氏体钢微观结构的表征。a 低碳钢（LC）、b 硼掺杂低碳钢（LC+B）、c 回火低碳钢（LC+LTT）、d 硼掺杂回火低碳钢（LC+B+LTT）的电子背散射衍射（EBSD）图谱。e 同步辐射 X 射线衍射（SXRD）二维衍射图的环形积分结果，插图突出显示了约 4.5° 附近碳化物的贡献。f 不同边界类型的长度分布、奥氏体分数以及不同相中测得的晶格参数。g 透射菊池衍射（TKD）测量结果。h 硼掺杂钢（LC+B）和硼掺杂回火钢（LC+B+LTT）中具有相同取向角 / 轴（51.7°/[74₇̄]）的马氏体边界的原子探针层析（APT）重建结果。i 从 APT 重建中推导的一维浓度分布和碳过剩量。
图 3 | 硼添加和回火对氢吸收阻力及抗氢脆性能的影响。a 残余延展性（以未处理纯 LC 钢的残余延展性为 100%）。b 不同充氢时间下对应的氢浓度（以原子百万分比（appm）和重量百万分比（wppm）表示）。
图 4 | 充氢（t_H=6 小时）并拉伸应变样品的二次裂纹分析。a LC、b LC+B、c LC+LTT、d LC+B+LTT 在断口亚表面观察到的二次裂纹示例。e LC+H 和 LC+B+LTT+H 中不同二次裂纹（SCs）类型的分布，包括 prior austenite 晶界（PAGBs）、马氏体边界（MBs）、夹杂物 / 基体界面、{001} 晶面和 {011} 晶面。f 夹杂物区域的 EBSD 相图（仅显示置信指数高于 0.1 的像素）。g 显示与基体不同对比度的夹杂物图像，突出标注了 APT 分析的位置。h 夹杂物与基体界面附近碳、硫、锰和铁的一维浓度分布。
图 5 | 马氏体边界界面处残余奥氏体的作用。a 利用球形索引通过 EBSD 观察到的 LC+B+LTT 中的奥氏体定位。b 奥氏体的 APT 重建结果。c 锰、碳和氢的浓度分布。d 拉伸试验失效前最后一帧的局部应变，以及同步辐射测量示意图：实验中，沿 x 方向从断裂端（局部应变最高位置）到夹持区域（局部应变最低位置）对断裂样品进行扫描，仅在同步辐射衍射的轴向进行积分。e 未回火条件下，不同微观结构的奥氏体分数随断裂前局部应变的变化，以及形变诱导马氏体相变（DIMT）情况。f 回火条件下，不同微观结构的奥氏体分数随断裂前局部应变的变化，以及形变诱导马氏体相变（DIMT）情况。
原子模拟结果表明，间隙溶质（尤其是晶界处的硼和碳）由于具备增强界面强度和与氢发生排斥相互作用的能力，在阻止氢偏聚方面发挥着显著作用。尽管钢中界面的溶质强化已在文献中得到充分证实，但溶质强化对氢偏聚的影响却鲜有研究（图 1c 的设计图谱中详细展示了部分示例）。该研究通过实验成功验证了如何利用这些见解设计马氏体钢 —— 一种氢脆敏感性极高的钢种。我们发现，由于间隙溶质在界面（晶界和残余奥氏体 / 马氏体界面）的偏聚以及残余奥氏体的应力松弛，材料的抗氢脆性能得到显著提升，氢渗入量减少。多尺度综合研究最终为钢的进一步优化指明了方向，即针对马氏体边界的强化以及夹杂物和析出相的控制，以期在现有已取得突破性抗氢脆性能提升的基础上实现更大进展。
https://doi.org/10.1038/s41467-025-67310-6
