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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(zhì)中長(zhǎng)期使用時(shí)，材料由于吸氫或氫滲而造成機(jī)械性能嚴(yán)重退化，發(fā)生脆斷的現(xiàn)象。將造成橋梁、電化學(xué)和核電站以及儲(chǔ)氫容器等應(yīng)用中的主要結(jié)構(gòu)性問題，導(dǎo)致故障并需要成本昂貴的維修。

在最近一項(xiàng)由美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、麻省理工學(xué)院（MIT）、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和其他機(jī)構(gòu)的科學(xué)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的晶界，可以影響裂縫并防止氫氣造成的損害。

利用先進(jìn)的基于同步加速器的X射線衍射和層析成像技術(shù)，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(fā)表于《自然·通訊》的該項(xiàng)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(shù)來研究鎳合金中的氫脆裂紋。研究出一種新的稱為3D微結(jié)構(gòu)映射的分析方法，可以幫助改進(jìn)材料加工方法，旨在阻止裂縫進(jìn)一步裂化，加強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)和部件的使用壽命。

“研究是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。這是一種基于3D前提的補(bǔ)充電子反向散射衍射新技術(shù)。當(dāng)你在思考裂縫如何傳播時(shí)，它本身就是一個(gè)3D問題。您需要了解有關(guān)裂縫的形態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的很多信息。”LLNL的喬納森林德說。

為了進(jìn)行項(xiàng)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(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，使用大型同步加速器--先進(jìn)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(jī)采集衍射和透射光束。

通過測(cè)試數(shù)十萬個(gè)方向，分析數(shù)百萬個(gè)點(diǎn)并將數(shù)據(jù)與物理模型相匹配，研究人員能夠?qū)⒀苌潼c(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?D微結(jié)構(gòu)圖像。從這個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)中獲得的圖像可以顯示哪些晶界類型可以使裂縫偏轉(zhuǎn)。

研究人員總結(jié)說，研究結(jié)果可以為改進(jìn)金屬氫脆的力學(xué)行為預(yù)測(cè)鋪平道路。在金屬合金的設(shè)計(jì)過程中，可以引入更強(qiáng)的晶界同時(shí)處理有害的晶界，為裂縫的產(chǎn)生設(shè)置更多的障礙并阻止它們的擴(kuò)散。工程師可以通過設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)以延長(zhǎng)材料的使用壽命，同時(shí)節(jié)省經(jīng)常暴露在水或氫氣中的金屬部件的維修或更換成本。