实现“氢经济”的一大挑战在于开发能够应对氢环境中特殊服役需求的经济材料。高锰奥氏体钢因其相对较高的抗氢脆性能，成为应用于氢存储和运输基础设施的理想材料候选。然而，在严苛的氢环境中，这些材料仍可能遭受氢致开裂等问题。关于氢如何影响奥氏体钢的变形与脆化机制，目前仍存在较多争议，特别是堆垛层错在氢环境中的具体作用尚未完全阐明。

美国科罗拉多矿业学院的Lawrence Cho团队利用原位和非原位中子衍射技术，结合衍射线轮廓分析（DLPA），系统探讨了氢对高锰奥氏体钢中缺陷行为的影响。 本研究重点关注氢对位错密度和堆垛层错频率(PSF)演化的影响，并分析其对宏观力学性能的影响机制。该工作以《Influence of hydrogen on deformation and embrittlement mechanisms in a high Mn austenitic steel: In-Situ neutron diffraction and diffraction line profile analysis》为题发表在《Acta Materialia》上。

中子衍射探测材料堆垛层错密度的演变

在研究奥氏体钢受力形变时，常用堆垛层错能(SFE)理论解释氢脆现象。充氢后，SFE降低，使材料的滑移行为趋于平面化，导致更多形变孪晶和堆垛层错的形成从而加剧氢脆效应。而之前的研究又发现，SFE与PSF(堆垛层错概率)成强相关性。因此，可以通过精确计算PSF来分析材料中的堆垛层错密度演变。

在原位中子衍射实验中，堆垛层错会导致晶体内部的某些晶面间距发生微小变化，进而使相应的衍射峰位置产生偏移。研究团队通过比较高阶和低阶衍射峰(如{222}和{111}晶面)的峰位差异，推导出了PSF随材料变形的变化。

图1 (a) 未充氢样品{222}和{111}晶面的晶面应变随平均真应变的变化。在拉伸过程中，{111}和{222}晶面的应变表现出明显的偏离现象，标志堆垛层错的形成。(b) 未充氢样品原位(黑色曲线)及非原位DLPA(蓝色曲线)的PSF随应变演化。堆垛层错密度随应变增大而升高，从而导致SFE降低。

充氢对拉伸性能与缺陷生成的影响

研究团队对充氢样品和未充氢样品进行原位拉伸实验同时进行原位中子衍射表征。对比发现，未充氢样品的真应变可达到0.32，且拉伸中断时样品仍保持较高的延展性;而充氢样品的延性显著下降，在仅0.12的真应变下即发生断裂。这种现象表明，充氢操作加剧了材料的脆化，并显著降低了其变形能力。

此外，研究团队通过对比两个样品的中子衍射数据，发现与未充氢样品相比，充氢样品在未变形状态下晶格参数略有增加，对应的晶格应变也有所提高，这表明氢通过引发晶格畸变增强了材料的强度。在原位拉伸实验中，充氢样品的屈服强度和流动应力均显著高于未充氢样品。这种现象可归因于氢的溶质强化效应，即氢本身作为间隙溶质引起的晶格应变阻碍了位错运动。

图2 (a) 充氢样品(红色)与未充氢样品(黑色)的应力-应变曲线。(b) 充氢样品(红色)与未充氢样品(黑色)的应变-硬化速率曲线。

研究团队通过研究中子衍射峰宽(FWHM)随应变的变化发现，在两个样品中，峰宽随应变增加而显著变宽，而充氢样品的峰宽增长速率更快，这表明氢加速了样品形变过程中位错与堆垛层错的累积。在真应变为0.12的样品中，与未充氢样品相比，充氢样品的位错密度增加了约1.6倍。这一现象与氢降低位错线能量，从而减少位错成核的激活能密切相关，支持了氢增强局部塑性(HELP)机制。

图3 (a) 充氢样品(红色)与未充氢样品(黑色)的(200)衍射峰宽随应变变化曲线。(b) 充氢样品(红色)与未充氢样品(黑色)的拉伸实验前后位错密度变化。

中子能够做什么？

本研究利用原位和非原位中子衍射技术，结合DLPA分析，系统分析了高锰奥氏体钢在氢充环境中的微观结构演化及缺陷行为。中子具有相对较高的穿透深度，能够获取包含内部氢的样品整体行为的衍射数据。此外，通过原位与非原位的中子衍射表征，研究能够对堆垛层错和位错进行定量分析。中子衍射为理解氢脆机制提供了关键的数据支持。