解德刚、单智伟等首次实现了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

daka

氢元素不仅以氢气和硫化氢广泛存在于能源和石化行业中，也以液态水和水蒸气的形式在地球表面无处不在。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。
        针对上述难题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的研究人员选取单晶纯铁作为模型材料，设计了一种完全定量的原位环境透射电镜纳米力学测试方法，首次实现了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。实验结果用直观详实的证据证明了氢会促进纯铁中位错的运动；同时还发现循环加载/卸载可促进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。相关成果以“Quantitative tests revealing hydrogen enhanced dislocation motion in α-iron”为题发表在最新一期的《自然·材料》杂志上。

图1 研究氢对位错运动影响的实验方案示意图

        西安交通大学的解德刚副教授和单智伟教授为该论文的共同通讯作者，西安交大博士生黄龙超和上海交通大学陈登科副教授为论文共同第一作者。参与该工作的还有西安交通大学的马恩教授、李苏植教授，麻省理工李巨教授、张寅博士，佐治亚理工大学朱廷教授和德国马克斯-普朗克研究所Dierk Raabe教授。该研究得到了国家自然科学基金委、陕西省博士后科学基金及上海浦江人才计划等项目的支持。
        近年来，金属材料强度国家重点实验室在金属材料氢脆及氢损伤机理研究上取得了一系列进展，详见：Nat Mater 14, 899-903 (2015)；Nature Communications 7, 13341 (2016)；Nature Communications 8, 14564 (2017)；Corrosion Science 183, 109307 (2021)。
        论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01537-w
          文章来源：西安交通大学材料科学与工程学院
       单智伟，西安交通大学教授。1996年毕业于吉林大学材料与科学工程专业；1999年在中国科学院金属研究所获硕士学位；2001年赴美就读于美国匹兹堡大学机械工程系并于2005年获博士学位。2005 -2006年在位于美国劳伦兹国家实验室的美国国家电镜中心从事博士后研究工作。2006年加盟世界著名的纳米力学设备制造公司-Hysitron，并先后受聘为资深研究员、真空部门经理和Hysitron公司应用研究中心主任。2008年开始与西安交通大学开展合作，2010年正式加入西安交通大学。教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者，百千万人才工程入选者，亚太材料科学院院士。现任西安交通大学材料科学与工程学院院长。2010年正式全职回国后，先后筹建创立“微纳尺度材料行为研究中心”，“Hysitron中国应用研究中心”及“西安交大-日立研究中心”等三个国际化研究中心和一个省级中心，即“陕西省镁基新材料工程中心”。学术任职包括国务院学位委员会第七届学科评议组（材料科学与工程组）成员，教育部高等学校材料类专业教学指导委员会委员，《中国材料进展》杂志副主编，2018美国材料学会期刊（MRS Bulletin）和《材料科学技术（英文版）》第五届编委会委员，中国电镜学会常务理事及聚焦离子束专业委员会主任，第四届国家新材料产业发展战略咨询委员会战略委员。
       解德刚，研究方向为力、热、电和气体等多物理化学场环境中材料的微纳尺度行为机理研究，主要研究内容包括（1）芯片及半导体器件中小尺度结构的性能分析及测试，包含开发测试技术和设备、建立测试标准及分析方法；（2）氢能源产业发展面临的材料氢脆、储氢等瓶颈问题，研究氢脆机制，发展新型抗氢脆技术。（3）氢冶金技术。利用氢气取代煤炭进行钢铁及其他金属的冶炼，大幅减低碳排放。以第1或通讯作者发表Nature Materials和Nature Communications 各2篇。授权发明专利13项，荣获首批陕西省普通高校青年杰出人才、国际显微学会青年科学家、德国洪堡学者、陕西省科学技术一等奖（3/5）、湖南省自然科学奖二等奖（4/4）等荣誉和奖项。