钢中的氢元素会显著降低金属材料的强度和韧性，甚至会使结构提前失效，这种由氢引起的材料断裂称为氢脆或延迟断裂，是材料-环境-应力相互作用而发生的一种脆化，在不可预知的情况下突然发生，就会导致非常严重的破坏和后果。氢脆现象在一个世纪前就已经被发现，但其仍是一个尚未解决的难题。高强钢面临着更高氢脆敏感性的威胁，因此氢脆是阻碍高强钢和超高强钢研发和应用的技术瓶颈。由于氢原子质量小，容易迁移，采用常规技术手段难以确定氢在材料中的精确位置，使得氢与材料结构相对关系的表征极为欠缺，从而限制了人们对氢脆现象的理解。

此次研究人员使用氘同位素标记与低温转移原子探针层析成像技术相集合的方式实现了技术突破，确定了两种不同基体组织结构钢铁材料中氢原子的确切位置，成功的表征分析出了可以作为氢陷阱的位错、晶界和析出相与氢原子的对应关系，改变了氢脆领域只有理论模型而无法直接观测研究的现状。此项研究成果于2020年01月10日在美国著名期刊《Science》发表，文章题目为《Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries, and precipitates》。论文第一作者为悉尼大学的陈翊昇博士，通讯作者为悉尼大学的Julie M. Cairney教授和中信金属公司的路洪洲博士，北京科技大学的赵征志教授和梁江涛博士参加了相关的研究工作。

该项研究工作的作者之一、我校钢铁共性技术协同创新中心赵征志教授团队多年来一直致力于进行新一代钢铁材料相关基础研究，新产品研发及组织调控研究，尤其是对于新一代高强韧汽车用钢的制备、成形、应用技术和相关理论方面进行了广泛的研究。在国家“863”计划、“十三五”重点研发计划和多项国家自然科学基金资助下开展了TWIP钢、DP钢和Q&P钢的研发与组织性能调控研究，对高强钢的组织演变规律和增强增塑机理等方面开展了大量理论和试验研究，其取得的成果多次在《Acta Materialia》和《Journal of Alloys and Compounds》等金属材料领域权威期刊上发表。这些丰富的研究经历和经验积累助力了高强钢氢脆机制的研究，并获得了该领域的突破。

本研究特定设计了铁素体和马氏体两种不同微观组织结构的含铌钢，并使用同位素标记来规避由于试验环境中的氢所带来的误差，同时利用低温转移原子探针层析成像技术来观察钢中特定微观结构特征下的氢。结果表明，氢原子被钉扎在钢中位错、晶界、析出相等位置不同界面。在富碳的位错和晶界处直接观察到了氢，这为氢脆模型提供了实验证据。在NbC析出相与钢基体不相连的界面处也观察到了氢，这直接证明了不相连的界面处可成为氢陷阱。这一研究成果为氢脆领域的研究提供了重要的依据，同时对抗氢脆钢的研发与应用具有重要意义。

图1 铁素体钢和马氏体钢的显微组织

图2 APT分析充氘后含NbC的铁素体钢试样

图3 APT分析充氘后含晶界和位错的马氏体钢试样

该研究成果详情请参阅该研究成果原文链接

https://science.sciencemag.org/content/367/6474/171.full