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在金属氢脆（HE）研究中，氢（H）与位错的相互作用存在争议。MIT 研究人员通过原位扫描电镜实验和分子动力学模拟，发现 H 在体心立方（BCC）金属中既能使位错移动，也能将其锁定。这有助于完善 H 辅助失效模型，对氢经济发展意义重大。
在迈向氢基经济的征程中，金属与氢的相互作用成为了科学界关注的焦点。其中，氢与金属中位错的交互作用尤为关键，它在氢脆（HE）现象中扮演着核心角色。氢脆就像金属材料内部的 “隐形杀手”，会导致金属材料的力学性能下降，甚至引发灾难性的失效。然而，过往的研究在氢与位错的交互作用上却陷入了矛盾的漩涡。实验和计算结果时而表明氢会增强位错的移动性，时而又显示氢会使位错被锁定，这种差异让科研人员们困惑不已，也阻碍了对氢脆机制的深入理解。
为了揭开这一神秘面纱，来自美国麻省理工学院（MIT）的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。
在这项研究中，研究人员运用了多种前沿技术方法。首先是原位扫描电子显微镜（SEM）结合电子通道衬度成像（ECCI）技术，这就像是给研究人员提供了一双 “微观透视眼”，让他们能够实时观察在氢充电过程中金属微观结构的动态变化。同时，他们还利用了分子动力学（MD）模拟，从原子尺度深入探究氢与位错之间的相互作用机制。此外，通过 H 渗透测试、原位银装饰实验以及同步辐射 X 射线衍射（XRD）等技术，多维度地对相关现象进行分析和验证。
研究人员以商业 430 不锈钢为研究对象，这种钢具有体心立方（BCC）结构。在实验过程中，他们借助自制的原位扫描电镜测试装置，通过 ECCI 在无外部应力等特定边界条件下观察氢与缺陷的相互作用。实验结果令人惊讶，在氢扩散过程中，部分位错出现了移动。仔细观察发现，这些位错移动距离较短，偶尔还能看到位错消失的现象，这意味着可能发生了面外位错运动。但实际上，只有一小部分位错会在氢充电时移动，大部分位错仍保持不动。进一步研究发现，位错的运动与距离晶界的远近并无明显关联，这与之前在面心立方（FCC）金属中的研究结果不同。同时，位错运动主要发生在氢充电的早期阶段，之后即使继续充电，位错运动也十分有限。
为了深入理解这一现象背后的原子机制，研究人员进行了 MD 模拟。他们在 BCC 铁的模拟体系中引入直螺型位错和氢原子，模拟氢通量与位错的相互作用。模拟结果显示，氢原子会迅速扩散并与位错核心发生集体相互作用，导致位错朝着氢通量相反的方向移动。随着越来越多的氢原子聚集在位错核心，位错最终会停止移动并被锁定。这一模拟结果与实验现象高度吻合，揭示了氢浓度梯度诱导位错运动的机制。原来，氢原子与位错核心之间存在吸引力，当氢原子进入位错核心附近的势阱后，会在离散且具有强吸引力的结合位点聚集，形成有利于氢结合的构型（HBC）。多个 HBC 会共同对位错核心施加吸引力，当这种吸引力达到一定程度时，就能推动位错运动。
研究人员还通过 NEB 计算研究了不同 HBC 对自由位错和局部锁定位错迁移的影响。结果表明，S2 HBCs 能为位错运动提供强大的驱动力，显著降低位错迁移的激活能，加速位错运动的动力学过程。对于局部锁定的位错，S2 HBCs 也能有效促进其迁移和解锁，但需要满足移动氢原子数量大于锁定氢原子数量的条件。此外，研究人员通过粗粒化模拟研究了 HBC 诱导的位错运动距离，发现氢通量与位错线的相对角度会对位错运动距离产生显著影响。当氢通量与位错线垂直时，位错运动距离较短；当氢通量与位错线存在一定角度时，位错运动距离会显著增加。
在研究结论和讨论部分，这项研究清晰地表明，氢通量在体心立方金属中既能推动位错运动，又能使位错被锁定。在氢与位错相互作用的初期，少量氢原子与位错核心的吸引力会使位错向氢通量相反方向移动；而在后期，当位错被氢完全包裹时，由于溶质拖拽效应，位错不再运动。这些发现极大地提升了人们对氢进入或离开金属时基本过程的理解，强调了在研究氢诱导效应时需要充分考虑位错运动和锁定的不同阶段。同时，研究结果也为优化金属材料在氢环境中的性能提供了理论依据，有助于推动氢基经济的发展，例如在氢储存、运输以及氢燃料电池等领域的应用中，为材料的选择和设计提供更科学的指导，具有重要的理论和实际应用价值。
