氫脆現象作為一個古老的研究話題在大量的金屬材料中被進行過深入的研究，同時作為一個非常復雜的現象，已有很多理論模型被提出以便解釋觀測到的氫脆現象，包括氫增強的局部塑性理論；氫導致的界面弱化；氫與晶界、空穴的相互作用；氫與位錯運動的作用等。以往的研究主要集中在塊體材料，研究氫與位錯的運動、增殖的相互作用。

美國布朗大學和卡萊羅那州立大學等的研究人員通過基于MEMS測試平臺的原位透射電鏡對納米線進行拉伸試驗從而研究納米材料中的氫脆，避開了塊體材料中的復雜微結構 (晶界、預先存在的位錯等)，有助于加深對于氫脆現象更基礎的理解。結合分子動力學模擬，發現對于納米材料，其關鍵點在于氫對于位錯形核的影響，通過原位電鏡拉伸試驗和分子動力學模擬，發現含有五次孿晶的銀納米線在經過氫氣環境浸潤后，擁有更高的極限應力，同時它的失效模式也由原本的多重頸縮轉變為局部的單一頸縮。更進一步的納米線弛豫實驗和相關模擬證實了氫原子的存在會抑制納米線中位錯的表面形核，從而解釋了其擁有的更高的極限應力；同時氫原子與表面的非均勻作用增強了位錯形核的局域化，最終導致單一頸縮。

圖1 原位透射電鏡拉伸測試

a.包含五次孿晶的銀納米線；b.在不同氫含量下納米線的拉伸應力-應變曲線； c.沒有氫的影響下納米線的多重頸縮失效模式；d.在氫的影響下的局部單一頸縮失效模式。

圖2 分子動力學模擬

a.彌散分布式的位錯和在氫影響下局域化產生的位錯； b.不同氫含量下的應力-應變曲線。

圖3 納米線的弛豫與模擬

a. 在不同氫含量下納米線弛豫的應力-應變曲線；b.應力弛豫與應變隨時間演化； c.分子動力學模擬不同氫含量下的弛豫實驗。

圖4 分子動力模擬位錯形核能量

a-d.簡化的二維形核模型，綠色星星出為氫原子的位置； e.在不同氫構型下拉伸二維模型的應力-應變曲線；f.NEB計算位錯的形核能。

參考文獻

Yin, S., Cheng, G., Chang, T.-H., Richter, G., Zhu, Y., Gao, H., Hydrogen embrittlement in metallic nanowires. Nature Communications, 2019, 10(1).

原文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10035-0