导读：氢会使高强度钢变脆并削弱其耐腐蚀性。缓解氢脆的最具吸引力的方法之一是利用纳米析出相在提供强化的同时捕获氢。本文通过结合原位扫描Kelvin探针力显微镜和像差校正透射电子显微镜，直接揭示了高强度低合金马氏体钢中纳米析出相的氢捕获行为，发现并不是所有的非共格界面都能捕获氢，有些甚至可能排斥氢；界面上的碳/硫空位和附近基体的拉应变场可能决定了界面的氢捕获特征。这些发现为更好的利用纳米析出相获得抗氢效果提供了基础指引。

氢会对金属材料的力学性能造成不利影响，包括氢脆（HE）。氢脆敏感性随材料强度的增加而增加，这是高强度合金开发和实际应用的一个主要问题。缓解HE的最具吸引力的方法之一是使用纳米沉淀物捕获材料中的可扩散氢原子。普遍认为，纳米析出相可以通过空位、特定界面结构和失配位错捕获氢。然而，对于非共格纳米析出相是否能捕获氢仍存在争议。TDS结果表明，室温充氢时，钢中的非共格纳米析出相TiC、NbC和VC不能捕获氢。相反，APT结果发现氘在NbC和马氏体基体的非共格界面处偏聚。从根本上说，非共格纳米析出相与基体的界面结构会随着二者的相对取向而变化，进而可能导致不同的氢捕获行为。

近日，北京科技大学乔利杰教授团队和南京理工大学陈光院士团队合作，通过结合原位扫描开尔文探针力显微镜和球差校正透射电子显微镜，研究了高强度低合金马氏体钢中氢与纳米析出相交互作用的机制，发现并不是所有的非共格界面都能捕获氢，有些甚至可能排斥氢；析出相表面的碳/硫空位和附近基体的弹性拉应变场可能是影响界面捕获氢行为的关键因素。相关研究成果以题“Atomic-scale insights on hydrogen trapping and exclusion at incoherent interfaces of nanoprecipitates in martensitic steels”发表在顶级顶刊nature communications上。链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31665-x

图1:马氏体基体中析出相的原子力显微镜(AFM)图和实验过程示意图。

图2:原位扫描Kelvin探针力显微镜(SKPFM)揭示不同的氢-析出相交互作用

图3:具有不同捕获氢行为的纳米析出相的提取和透射电子显微镜分析

图4:纳米析出相的高分辨电镜照片、衍射分析及界面结构模型

图5:析出相内部及与马氏体基体界面处Ti L2、3损失峰

图6:界面附近基体的原子级应变分布图

上述研究揭示了氢与非共格析出相之间的动态相互作用，表明并非所有的纳米析出相都可以捕获氢，析出相表面的碳/硫空位和界面附近基体的应变很可能决定了界面的氢捕获行为。本研究展示了一种可行的方法来直接探测氢捕获行为和微观机理，为氢-材料交互作用提供了新的研究思路。