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金屬儲氫研究重大突破！科學家首次得到金屬氫脆裂縫微觀3D圖像

2018-09-25 11:20

氫脆是指金屬材料在冶煉、加工、熱處理、酸洗和電鍍等過程中，或在含氫介質中長期使用時，材料由于吸氫或氫滲而造成機械性能嚴重退化，發生脆斷的現象。將造成橋梁、電化學和核電站以及儲氫容器等應用中的主要結構性問題，導致故障并需要成本昂貴的維修。

在最近一項由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）、麻省理工學院（MIT）、阿貢國家實驗室和其他機構的科學家和研究人員共同參與的研究中，首次捕獲了暴露于氫氣中所導致的金屬微觀裂縫（氫脆）的三維圖像。利用這些圖像，研究人員確定了10種微觀結構的晶界，可以影響裂縫并防止氫氣造成的損害。

利用先進的基于同步加速器的X射線衍射和層析成像技術，研究人員能夠捕獲由于暴露于氫氣所引起的鎳合金微觀裂縫的3D圖像，也稱為氫脆。

發表于《自然·通訊》的該項研究依賴于基于同步加速器的X射線衍射和層析成像技術來研究鎳合金中的氫脆裂紋。研究出一種新的稱為3D微結構映射的分析方法，可以幫助改進材料加工方法，旨在阻止裂縫進一步裂化，加強金屬結構和部件的使用壽命。

“研究是一個漫長的過程。這是一種基于3D前提的補充電子反向散射衍射新技術。當你在思考裂縫如何傳播時，它本身就是一個3D問題。您需要了解有關裂縫的形態與微觀結構相關的很多信息。”LLNL的喬納森林德說。

為了進行項目所需的非破壞性分析，研究人員將裂紋鎳合金樣品送至美國阿貢國家實驗室，使用大型同步加速器--先進光子源（Advanced Photon Source，APS）的光束線，用高能X射線束照射它們，并使用相機采集衍射和透射光束。

通過測試數十萬個方向，分析數百萬個點并將數據與物理模型相匹配，研究人員能夠將衍射點轉變為3D微結構圖像。從這個復雜的數據中獲得的圖像可以顯示哪些晶界類型可以使裂縫偏轉。

研究人員總結說，研究結果可以為改進金屬氫脆的力學行為預測鋪平道路。在金屬合金的設計過程中，可以引入更強的晶界同時處理有害的晶界，為裂縫的產生設置更多的障礙并阻止它們的擴散。工程師可以通過設計微結構以延長材料的使用壽命，同時節省經常暴露在水或氫氣中的金屬部件的維修或更換成本。

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