氢在金属孔隙中的瞬时捕获有限元建模：位错与空洞竞争机制及其对氢脆的影响

推荐：本研究通过有限元模拟探讨了氢在金属塑性变形过程中在位错和空洞两种陷阱间的竞争捕获机制。研究人员基于GTN模型耦合氢扩散方程，揭示了高氢浓度环境下空洞对氢传输的显著抑制作用，为理解氢致损伤机理提供了新的理论依据。

　　

金属材料在氢环境下的脆化现象一直是工程领域的重大挑战。氢原子通过扩散进入金属晶格后，会被晶体缺陷如位错和微孔洞捕获，这种捕获行为显著影响材料的力学性能。传统研究多聚焦于位错对氢的捕获作用，而对塑性变形过程中产生的空洞（void）作为氢陷阱的影响机制尚不明确。特别是在高应力集中区域（如裂纹尖端），空洞的形核、生长与氢的交互作用可能成为氢脆的关键因素。

为揭示这一机制，研究人员采用有限元方法构建了包含GTN（Gurson-Tvergaard-Needleman）损伤模型的数值框架，耦合氢扩散方程和瞬时捕获动力学。研究创新性地将空洞作为氢陷阱引入模型，通过小规模屈服（SSY）构型模拟裂纹尖端区域的氢分布，对比分析了位错陷阱（NT₁）和空洞陷阱（NT₂）在不同氢加载条件下的竞争关系。

关键技术包括：1）基于Oriani平衡的瞬时捕获理论，建立位错与氢的平衡关系（K_T）；2）引入Sieverts定律描述氢在空洞中的压力-浓度关系；3）采用修正的Fick定律耦合应力梯度驱动的氢扩散；4）通过GTN模型模拟塑性应变诱导的空洞演化（f为空洞体积分数）。

2. 建模
研究建立了包含晶格氢（C_L）、位错捕获氢（C_T1）和空洞捕获氢（C_T2）的多相氢传输模型。关键发现包括：

• 氢传输方程：引入等效扩散系数D_app，揭示空洞通过降低晶格氢浓度（C_L）显著减缓氢扩散（公式23）。
• 空洞力学行为：GTN模型显示，塑性应变ε_p^m驱动空洞生长（公式6），而氢通过影响局部应力场（σ_H）反向调控空洞演化。

3. 结果分析
在两种边界条件下（C_L=C₀和300C₀）：

• 低浓度工况：空洞对C_L和C_T1分布影响有限（图6），但空洞内氢压力（P）仍可达288 MPa（公式16）。
• 高浓度工况：空洞捕获主导氢分布，C_T2峰值达C_T1的10³倍（图7），导致裂纹尖端出现氢耗尽区，显著改变断裂力学环境。

4. 讨论
研究首次量化了塑性损伤与氢陷阱的协同效应：
1）空洞作为"氢汇"可降低局部C_L，但通过压力积聚（P>400 MPa）可能加速裂纹扩展；
2）位错陷阱在高应变区（ε_p^m>0.3）仍保持捕获能力，但贡献量级远低于空洞陷阱。该成果为氢脆的多尺度建模提供了新范式，尤其对评估高压氢储运装备的安全性具有指导意义。

论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，通过跨尺度建模揭示了氢-损伤耦合机制，为发展抗氢脆材料设计策略奠定了理论基础。