《Journal of Materials Research and Technology》：Enhancing hydrogen embrittlement resistance in a non-equiatomic Fe
0.5CoCrNi high-entropy alloy via Mo alloying: A Combined First-Principles and Experimental Study
编辑推荐：
该研究采用第一性原理计算（DFT）结合实验方法，探究钼（Mo）合金化对非等原子比Fe0.5CoCrNi高熵合金（HEA）抗氢脆性能的影响。结果表明，Mo添加可提升合金抗氢脆能力。第一性原理计算显示，Mo抑制H2解离并削弱原子氢在合金表面的吸附，表现为H2解离能
该研究采用第一性原理计算（DFT）结合实验方法，探究钼（Mo）合金化对非等原子比Fe0.5CoCrNi高熵合金（HEA）抗氢脆性能的影响。结果表明，Mo添加可提升合金抗氢脆能力。第一性原理计算显示，Mo抑制H2解离并削弱原子氢在合金表面的吸附，表现为H2解离能升高与氢吸附能抬升，该效应源于Mo诱导的表面电子结构修饰及局域化学环境改变。表面功函数与态密度（DOS）分析进一步表明，Mo掺杂促进电子离域并提高功函数，从而改善表面电化学稳定性。此外，Mo将晶界处氢溶解能由负值（-0.135 eV）转为正值（+0.089 eV），抑制晶界氢溶解。实验验证Mo使合金在含氢环境中保持优良力学性能，呈现韧性与脆性混合断裂模式，并有效缓解氢对晶界结合强度的削弱。该研究在原子尺度阐明Mo抗氢脆机制，为抗氢脆高熵合金的理性设计提供理论依据。
研究背景与立项逻辑
在能源化工、航空航天与深海装备等极端服役场景中，金属材料长期暴露于富氢环境，氢原子凭借极小半径渗入合金内部，在晶界、相界与位错等缺陷处富集，诱发氢致延迟断裂，即氢脆（HE）。高熵合金（HEA，由四种及以上主元组成的多主元固溶体）因高熵效应、晶格畸变效应与鸡尾酒效应，具备高强度、高韧性及耐腐蚀潜力，其中面心立方（FCC）FeCoCrNi系合金尤受关注。然而，非等原子比Fe0.5 CoCrNi体系中Mo如何于电子尺度调控氢吸附、解离与晶界偏聚，仍缺乏系统认知。研究人员据此开展“计算—实验”闭环研究，旨在揭示Mo抗氢脆原子机制，为抗氢材料设计提供基准。
主要技术方法
研究人员基于VASP平台采用密度泛函理论（DFT）计算，以广义梯度近似（GGA）处理交换关联，平面波截断能550 eV；利用特殊准随机结构（SQS）构建108原子3×3×3超胞模拟化学无序，分别建立Fe0.5 CoCrNi与Fe0.5 CoCrNiMo0.1 模型；表面体系选取最低表面能的（001）终止，引入20 ?真空层；晶界体系构建Σ5(210)[001]对称倾侧晶界。实验方面，以高纯金属粉末电弧熔炼制锭，慢应变速率拉伸（SSRT）在空气与电化学原位充氢（0.5 mol/L H2 SO4 +硫脲，25 mA/cm2预充72 h）下开展，断口经SEM观察，裂纹几何由ImageJ统计。
研究结果
3.1 表面氢分子解离行为研究
通过对比18个hollow位点解离能，研究人员发现Mo使H2 解离能由-1.234 eV升至-1.054 eV，解离后H–H间距更短、Bader电荷更低，表明Mo抑制分子解离并削弱表面成键。
3.2 表面氢原子吸附与渗穿行为研究
吸附能计算显示，Mo使最稳吸附位H吸附能从-0.901 eV升至-0.763 eV；沿表面至体内B、C、D位点，含Mo体系各位置吸附能均更高，Bader电荷更小，证明Mo降低H在表层与亚表层的驻留稳定性，抑制氢向内渗透。
3.3 表面功函数研究
在洁净、解离、吸附与渗穿四种态下，Fe0.5 Mo0.1 功函数均高于无Mo体系；态密度表明Mo-4d与Fe/Co/Cr/Ni的3d杂化增强价带填充、促进电子离域，H-1s峰减弱，从电子结构解释表面稳定性提升与氢吸附受抑。
3.4 Mo对Σ5晶界氢行为的影响
晶界氢溶解能由-0.135 eV转为+0.089 eV，热力学上抑制H偏聚；无H时两类合金黏附功相近（约5.1 J/m2），含H后无Mo体系降至4.932 J/m2，而含Mo仅降至5.056 J/m2；差分电荷密度显示Mo维持界面电荷转移，缓解氢致解聚。
3.5 SSRT测试分析
无氢时两合金均延展；充氢后无Mo合金强度由459.9 MPa跌至197.5 MPa、延伸率由51.9%降至6.1%，断口全脆断；含Mo合金保留349.8 MPa与11.5%延伸率，呈韧脆混合断口，裂纹长宽比更低，印证晶界结合被有效保护。
讨论与结论翻译
讨论指出，Mo通过“表面阻氢入口—晶界阻氢富集”双屏障发挥作用：表面端抬高解离与吸附能、提高功函数；晶界端翻转溶解能符号、保界面电子相互作用。结论如下：
（1）表面计算揭示Mo提高H2 解离能（自-1.234 eV至-1.054 eV）与H吸附能（自-0.901 eV至-0.763 eV），沿渗穿路径各站点吸附能均升高；功函数系统性提高，Mo-4d杂化增强电子离域，削弱H表面吸附倾向。
（2）晶界计算表明Mo将Σ5晶界氢溶解能由负（-0.135 eV）变正（+0.089 eV），差分电荷显示界面电荷转移得以维持，黏附功仅降0.010 J/m2，抑制氢致晶界弱化。
（3）力学与断口分析显示，无Mo合金氢后转完全脆断，含Mo合金降级为韧脆混合；裂纹统计佐证Mo缓解H对晶界结合强度的削弱。该研究为抗氢脆高熵合金的成分理性设计提供原子尺度依据。
论文核心机制已经明确，接下来可以选择一个方向继续深化：
把结论改写成期刊审稿意见 设计Mo含量梯度验证实验方案 把结论改写成期刊审稿意见 设计Mo含量梯度验证实验方案
