众所周知，氢会使高强度钢变脆，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沉淀物(广泛用于强化)来捕获和扩散在材料脆弱部位富集的氢。然而，捕获氢的原子来源仍然是难以捉摸的，特别是在非共格的纳米沉淀物中。

在此，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，通过结合原位扫描开尔文探针力显微镜和像差校正透射电子显微镜，揭示了高强度低合金马氏体钢中氢-析出相相互作用的不同场景。相关论文以题为“Atomic-scale insights on hydrogen trapping and exclusion at incoherent interfaces of nanoprecipitates in martensitic steels”发表在Nature Communications上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31665-x

零二氧化碳排放的承诺引发了对清洁氢的日益增长的需求，以减少化石燃料的使用。然而，氢对金属材料的力学性能造成不利影响，即俗称的氢脆(HE)，它危及结构材料的安全运行，如节能汽车和储氢罐中的高强度合金。一般来说，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。干预和缓解HE的最具吸引力的方法之一是使用纳米沉淀物，它在强化和增韧材料方面表现出了巨大的效力，从而捕获和扩散在材料中脆弱位置富集的氢原子。

一般认为，氢可以通过空位、特定界面结构、失配应变和/或螺纹位错，在合金纳米颗粒内部和/或其与基体的界面附近被捕获。然而，相对于共格和半共格界面而言，非共格纳米沉淀物可能为氢提供更深的陷阱，它们是否能捕获氢仍然存在争议。热解吸光谱(TDS)结果表明，当氢在室温下带电时，钢中的非共格析出物TiC、NbC和VC不能捕获氢。相反，原子探针断层扫描(APT)结果充分揭示了氘在NbC和马氏体基体的非相干界面处的偏析。根据析出相/基体的相互取向，非相干界面的结构本质上是不同的，可能导致不同的氢捕获行为。因此，TDS等集合平均方法，不足以揭示单个沉淀的氢捕获特性，更不用说关键的潜在机制了。另一方面，虽然APT可以成像氢的空间分布，但它必须破坏样品，阻碍对捕获位点的进一步表征。

在此，研究者通过使用非破坏性的扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)来检测氢，前所未有地，在原位揭示了高强度低合金钢中单个不连贯的纳米沉淀物的氢捕获行为。研究发现，并不是所有的非相干界面，都能捕获通过电化学充电引入的氢；有些甚至可能排除氢。界面的原子尺度结构和化学特征表明，析出相表面的碳/硫空位和基体附近的拉伸应变场，可能决定了界面的氢捕获特征。这些发现，可能为更好地沉淀强化策略与氢不敏感设计提供了基本的见解。（文：水生）

图1 马氏体基体中析出相的原子力显微镜(AFM)图和实验过程的示意图。

图2 原位扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)测量氢-沉淀相互作用。

图3 析出相的提升和扫描透射电镜能量分散X射线能谱(STEM-EDS)分析。

图4 析出相及析出相/基体界面的结构。

图5 电子能损失谱(EELS)分析了析出相内部及与马氏体基体界面的Ti L2,3核损失边分析。

图6 原子应变分布在析出相边界附近。