氢脆现象作为一个古老的研究话题在大量的金属材料中被进行过深入的研究，同时作为一个非常复杂的现象，已有很多理论模型被提出以便解释观测到的氢脆现象，包括氢增强的局部塑性理论；氢导致的界面弱化；氢与晶界、空穴的相互作用；氢与位错运动的作用等。以往的研究主要集中在块体材料，研究氢与位错的运动、增殖的相互作用。

美国布朗大学和卡莱罗那州立大学等的研究人员通过基于MEMS测试平台的原位透射电镜对纳米线进行拉伸试验从而研究纳米材料中的氢脆，避开了块体材料中的复杂微结构 (晶界、预先存在的位错等)，有助于加深对于氢脆现象更基础的理解。结合分子动力学模拟，发现对于纳米材料，其关键点在于氢对于位错形核的影响，通过原位电镜拉伸试验和分子动力学模拟，发现含有五次孪晶的银纳米线在经过氢气环境浸润后，拥有更高的极限应力，同时它的失效模式也由原本的多重颈缩转变为局部的单一颈缩。更进一步的纳米线弛豫实验和相关模拟证实了氢原子的存在会抑制纳米线中位错的表面形核，从而解释了其拥有的更高的极限应力；同时氢原子与表面的非均匀作用增强了位错形核的局域化，最终导致单一颈缩。

图1 原位透射电镜拉伸测试

a.包含五次孪晶的银纳米线；b.在不同氢含量下纳米线的拉伸应力-应变曲线； c.没有氢的影响下纳米线的多重颈缩失效模式；d.在氢的影响下的局部单一颈缩失效模式。

图2 分子动力学模拟

a.弥散分布式的位错和在氢影响下局域化产生的位错； b.不同氢含量下的应力-应变曲线。

图3 纳米线的弛豫与模拟

a. 在不同氢含量下纳米线弛豫的应力-应变曲线；b.应力弛豫与应变随时间演化； c.分子动力学模拟不同氢含量下的弛豫实验。

图4 分子动力模拟位错形核能量

a-d.简化的二维形核模型，绿色星星出为氢原子的位置； e.在不同氢构型下拉伸二维模型的应力-应变曲线；f.NEB计算位错的形核能。

参考文献

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

原文链接

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