科学家首次得到金属氢脆裂缝微观3D图像

氢脆是指金属材料在冶炼、加工、热处理、酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长期使用时，材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化，发生脆断的现象。将造成桥梁、电化学和核电站以及储氢容器等应用中的主要结构性问题，导致故障并需要成本昂贵的维修。

在最近一项由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、麻省理工学院（MIT）、阿贡国家实验室和其他机构的科学家和研究人员共同参与的研究中，首次捕获了暴露于氢气中所导致的金属微观裂缝（氢脆）的三维图像。利用这些图像，研究人员确定了10种微观结构的晶界，可以影响裂缝并防止氢气造成的损害。

利用先进的基于同步加速器的X射线衍射和层析成像技术，研究人员能够捕获由于暴露于氢气所引起的镍合金微观裂缝的3D图像，也称为氢脆。

发表于《自然·通讯》的该项研究依赖于基于同步加速器的X射线衍射和层析成像技术来研究镍合金中的氢脆裂纹。研究出一种新的称为3D微结构映射的分析方法，可以帮助改进材料加工方法，旨在阻止裂缝进一步裂化，加强金属结构和部件的使用寿命。

"研究是一个漫长的过程。这是一种基于3D前提的补充电子反向散射衍射新技术。当你在思考裂缝如何传播时，它本身就是一个3D问题。您需要了解有关裂缝的形态与微观结构相关的很多信息。"LLNL的乔纳森林德说。

为了进行项目所需的非破坏性分析，研究人员将裂纹镍合金样品送至美国阿贡国家实验室，使用大型同步加速器--先进光子源（Advanced Photon Source，APS）的光束线，用高能X射线束照射它们，并使用相机采集衍射和透射光束。

通过测试数十万个方向，分析数百万个点并将数据与物理模型相匹配，研究人员能够将衍射点转变为3D微结构图像。从这个复杂的数据中获得的图像可以显示哪些晶界类型可以使裂缝偏转。

研究人员总结说，研究结果可以为改进金属氢脆的力学行为预测铺平道路。在金属合金的设计过程中，可以引入更强的晶界同时处理有害的晶界，为裂缝的产生设置更多的障碍并阻止它们的扩散。工程师可以通过设计微结构以延长材料的使用寿命，同时节省经常暴露在水或氢气中的金属部件的维修或更换成本。

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