不论是在宇宙中还是在地球上，氢都是最常见的元素。元素周期表中，氢是结构最简单、体积最小的原子，因而能轻易溶解进入许多固体材料中，改变材料性能。在众多的材料和性能中，金属基材料的力学性能受氢的影响最为严重，因而长期以来受到工业界和学术界的广泛关注。

金属由于其较高的强度和塑韧性而被广泛用作结构材料，然而，早在1874年，英国皇家学会的Johnson就发现，铁丝在酸性溶液中浸泡一会儿之后，原本可承受十多次弯曲才能折断的铁丝，只需要两三下弯曲就被折断了。Johnson推测这可能是由于铁与酸反应生成的氢浸入铁内部而导致的。后来的几十年间，人们发现氢降低材料塑性发生在几乎所有重要的金属与合金中，是一个普遍的现象，并给这种现象起了一个专有名字：氢脆。氢脆会导致材料过早断裂，从而引发安全事故。历史上，很多轮船的断裂、直升机的坠毁、石化工厂的爆炸、油气田中的钻杆断裂等事故都和氢脆有着密切的关系。

尽管氢脆现象的发现已有上百年的历史，在世界范围内人们对材料发生氢脆的微观机理也进行了不懈探索，但截至目前仍没有达到共识。焦点在于基于宏观的试验和一些原位电子显微镜的观察，人们普遍认为氢对金属材料的塑性载体-位错不仅没有阻碍作用，甚至可以促进位错运动，但最近的模拟工作却预测了截然不同的结果。机理认知上的不足，直接影响到对氢脆现象的有效防护，从而威胁到人们的生产和生活安全。

图：循环应力作用下，金属铝中的位错在充氢之后运动停止

据西交大新闻网消息，西交大材料学院微纳中心团队继2015年在《自然-材料》上发文揭示了金属合金/保护层之间氢致界面失效的新机制之后，在氢致材料脆性的机理方面再次取得了重大突破，相关研究成果于2016年11月3日发表在《自然-通讯》上。

西安交大材料学院微纳中心单智伟研究团队的青年教师解德刚博士在系统而全面的文献调研的基础上，借助微纳中心特有的环境透射电镜与原位力学测试平台，以令人信服的证据确认了氢不仅能导致金属铝中的位错产生强烈钉扎，而且发现该过程可逆，即在停止供氢一段时间后，被钉扎的位错又可以在外力的作用下恢复运动能力。但出乎意料的是，这种钉扎作用需要将含氢材料静置几十分钟才有效，这与前人所预期的时间相差了至少三个量级，据此提出充氢原子与空位的结合体而不是氢原子本身在该过程中起到了主导作用。在李巨教授的指导下，李苏值博士对上述机制进行了计算机模拟计算，所得到结果与提出的机制高度吻合。上述发现颠覆了人们近三十年来的认知，期待对氢脆的预防起到积极的指导意义。

文章链接：

Degang Xie, et al, "Hydrogenated vacancies lock dislocations in aluminium," Nature Communications 7, Article number: 13341 (2016), doi:10.1038/ncomms13341

解德刚简介：

西交大材料学院微纳中心讲师，Email：dg_xie@xjtu.edu.cn

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研究方向：环境透射电子显微镜中的原位实验研究，聚焦如下方面：氢脆、氢损伤的微观机制；微纳尺度材料在力、热、电等刺激下的特殊行为；微纳尺度的电化学过程；

单智伟教授简介：

西交大材料科学工程学院教授，国家千人计划入选者，Email：zwshan@mail.xjtu.edu.cn

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研究方向：

1）探索并优化材料、尤其是微纳尺度材料的结构与性能；

2）应用和发展与之相配套的先进制备、测试与表征技术；

3）以原位、动态、定量为主要特征的先进技术和设备为主要研究手段，结合日新月异的计算机模拟技术，选择典型材料为主要研究对象，通过和本领域以及相关领域专家与学者的有效合作，力求系统的建立起微纳尺度材料结构与性能间的定量关系，并为这些材料的最终应用提供坚实的实验基础和方法论的指导。近年来的研究方向主要集中于应用和发展定量的原位电镜变形技术（压痕/压缩/弯曲/拉伸/疲劳+电/热/气氛等）对目前材料研究中的一些焦点问题进行探索。

（本文信息来源：西安交通大学新闻网；）

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