溶质氢与氢化物对α钛[2ˉ1ˉ10]取向棱柱滑移影响的原位微柱压缩研究

本研究通过原位微柱压缩实验，探究了溶质氢和钛氢化物对[2ˉ1ˉ10]取向α钛棱柱滑移〈112ˉ0〉{101ˉ0}的调控机制。结果表明，溶质氢降低临界分切应力(CRSS)并促进堆垛层错，而氢化物则通过应变不相容性提高屈服应力并引发脆性断裂，为氢致钛材料失效机制提供了新见解。

　　

氢能源的快速发展对材料在氢环境下的性能提出了严峻挑战。α钛因其优异的强度与耐腐蚀性，成为氢能装备的候选材料，但氢原子渗透会导致其力学性能劣化。尽管前人已观察到氢对钛的脆化现象，但溶质氢与氢化物对滑移系激活的微观机制尚不明确，特别是棱柱滑移〈11²ˉ0〉{10¹ˉ0}这一关键变形路径的影响缺乏定量研究。

挪威科技大学等机构的研究人员采用[2ˉ1ˉ10]取向α钛微柱，通过原位压缩结合SEM/STEM表征，首次揭示了溶质氢与氢化物的竞争作用机制。研究发现：1）溶质氢使棱柱滑移CRSS降低18%，通过促进位错交滑移形成扩展位错；2）氢化物相则因与基体晶格失配产生应变场，使屈服应力提升25%，但随塑性应变增加会发生滑移穿透；3）氢化物聚集最终引发解理断裂。该成果发表于《Scripta Materialia》，为氢能装备的钛合金设计提供了理论依据。

关键技术包括：1）聚焦离子束(FIB)制备[2ˉ1ˉ10]取向微柱；2）原位电化学充氢控制溶质氢浓度；3）同步辐射X射线衍射追踪氢化物析出动力学；4）高分辨EBSD分析滑移迹线。

CRSS降低机制
通过对比空气与充氢环境下的应力-应变曲线，发现0.5wt%溶质氢使棱柱滑移CRSS从450MPa降至370MPa。STEM显示〈a〉型位错分解为两个1/3〈11²ˉ0〉不全位错，间距扩大至12nm，表明氢降低了层错能。

氢化物强化效应
氢含量≥2wt%时，γ-TiH_1.5相沿{0001}基面析出。微柱屈服应力升至560MPa，但应变硬化指数n从0.25增至0.38，STEM揭示位错在氢化物界面形成塞积群。

断裂行为转变
当局部应变超过8%时，〈a〉位错穿透氢化物相，引发{10¹ˉ0}解理裂纹。断口分析显示氢化物聚集区存在100-200nm的韧窝，证实混合断裂模式。

该研究建立了氢状态（溶质/氢化物）-滑移激活-断裂模式的关联模型，指出氢能管道需将氢含量控制在0.8wt%以下以避免氢化物脆化。未来工作可结合分子动力学模拟揭示氢-位错原子尺度相互作用。