拓扑包覆使高强度合金对氢脆性不敏感
材料科学
2025-12-02 v1
摘要
氢能基础设施需要兼具机械强度与抗最危险和突发性失效模式（即氢脆性）的合金。这两种属性存在根本性冲突，因而提升强度通常会放大对氢相关失效的易感性。本文引入一种新方法，通过在材料表面创建拓扑包覆层（厚度可达数百微米），以抵抗氢脆性。该层特征为纳米细小层压晶粒，其位错密度是常规材料的数十倍，改变了氢的扩散、捕获与裂纹演化规律。我们在面内fcc CoCrNi 中等熵模型合金上测试了该概念，该合金可发生严重的氢诱导胞界裂纹。两种关键机制构成拓扑包覆：其一，位错密度高达~1.3e15 m-2的H捕获位错形成的包覆层，可使氢迁移减缓约一个数量级，延迟氢诱导裂纹在胞界的起始。更重要的是，一旦不可避免地在最表层区域形成微小的氢诱导胞界裂纹，它们将通过从氢增强胞界脱粘向高度能量耗散的位错相关裂纹的失效机制转换而完全被层压晶粒阻止。这几乎消除了即使在强度翻倍的情况下，仍可抵抗严酷的H攻击的氢脆性。本方法利用表面机械处理手段来调制最易受氢攻击的材料表面区域的金属微结构，为保护合金免受氢损伤提供了可扩展的解决方案。
引用
@article{arxiv.2512.00131,
title = {Topological passivation makes high strength alloys insensitive to hydrogen embrittlement},
author = {Huijie Cheng and Binhan Sun and Aochen Zhang and Dirk Ponge and Fengkai Yan and Tiwen Lu and Xian-Cheng Zhang and Dierk Raabe and Shan-Tung Tu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2512.00131},
year = {2025}
}