一种普适的原子尺度氢脆量化机制

金属材料在氢脆（HE）问题是一个普遍存在，危害巨大，尚未解决且急需解决的科学难题。当氢元素进入金属材料中，材料的力学性能（如延展性，断裂韧性等）会发生退化，多数情况下含氢的金属材料表现为塑性减损，在拉伸试验中更易发生脆性断裂，这一现象被称之为氢脆。氢作为清洁能源被寄予厚望，但是氢脆问题带来的安全隐患在一定程度上制约氢能源的发展。然而自1874年氢脆首次被提出以来，尽管过去将近一个半世纪的时间，已经观察到并详细研究了氢脆，但基于物理的氢脆量化机制还不具备。

本研究提出一种普适的原子尺度氢脆量化机制，揭示了捕获氢原子后的金属晶体内聚作用减损的一般规律，并且给出相应的物理模型。相关论文以题为“A quantification study of hydrogen-induced cohesion reduction at atomic scale”发表在 Materials & Design。

论文链接：

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

具体而言，对于完美晶体而言，当氢原子被金属的晶格间隙捕获，将会导致间隙局域电子密度增加，使得间隙处Pauli斥力相对于静电吸引力显著增强，原本的排斥与吸引平衡被打破，导致晶格膨胀，从而金属内聚作用降低。同时，为了验证该机制，也开展了第一性原理模型，分别比较了不同金属捕获氢原子前后，最近邻原子距离和最大内聚强度的理论结果与模拟结果。所有的理论预测与模拟结果吻合良好。同时，该物理模型还揭示了被俘获H原子的含量和位置以及主体金属的电子结构性质共同决定了俘获H原子后晶格的内聚强度。

图 1：（a）显示总内聚强度和其分量（Pauli斥力，静电吸引力）随原子间最近邻距离的变化；（b）显示总内聚强度与其分量（Pauli斥力，静电吸引力）对原子间距变化率随原子间最近邻距离的变化。反映出Pauli斥力贡献大于静电吸引，尤其在原子间距减小时。

图 2. （a）和（b）分别展示了不同金属正四和正八面体间隙捕获氢原子，最大内聚强度减损和最近邻原子变化率的第一性原理模拟结果。反映出内聚作用减损与原子间距变化相关联。

图 3 （a）和（b）分别展示了不同金属正四和正八面体间隙捕获氢原子后的差分电荷密度图。黑球是氢原子，其他颜色球是金属原子，紫色表示电子消散，绿色表示电子聚集。反映出氢原子的影响具有共性，即电子会在捕获处间隙汇集，局域电子密度增大。

图 4 （a） 和（b）分别展示了不同金属正四和正八面体间隙捕获氢原子，晶格膨胀率和最大内聚强度的理论与模拟结果。

总结：

本研究为预测临氢环境下金属材料力学性能演化奠定基础。该研究提供一个原子尺度氢致内聚减损的物理量化机制，根据该机制可以得到三个结论：

1、金属中被捕获的氢原子通常会增加捕获间隙处的电子密度；

2、内聚力降低的本质是：局域电子密度的增加，泡利斥力的显著增强使晶格膨胀，从而内聚力减弱；

3、建立原子尺度物理模型来描述上述过程并量化内聚力的减损，揭示内聚力降低不仅与基本的金属电子结构性质、被捕获的 H 原子的含量有关，而且与被捕获的 H 原子的位置有关。

审核编辑 ：李倩