高強(qiáng)度鋁合金已廣泛應(yīng)用于航空航天和體育用品等領(lǐng)域，但由于存在氫脆和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等與氫有關(guān)的破壞現(xiàn)象，性能的進(jìn)一步提高受到了阻礙。日前，日本九州大學(xué)研究生院工學(xué)研究院的主任教授戶(hù)田裕之和特任助教清水一行等人組成的研究小組，通過(guò)用大型同步輻射設(shè)施SPring-8進(jìn)行4D觀察，查明了飛機(jī)等廣泛使用的高強(qiáng)度鋁合金的破壞機(jī)理。研究小組此次對(duì)高強(qiáng)度鋁合金的破壞過(guò)程進(jìn)行4D觀察，并詳細(xì)解析了獲得的圖像。最終，精確地計(jì)算出了氫在金屬材料中的分布。
SPring-8鳥(niǎo)瞰
氫脆是指由于過(guò)量的氫原子進(jìn)入金屬基體后 ,在應(yīng)力作用下 ( 很可能是在材料的屈服強(qiáng)度以下 , 甚至是在正常的設(shè)計(jì)強(qiáng)度內(nèi) ) , 引起金屬韌性或承載能力的降低 , 從而發(fā)生斷裂( 通常是亞微觀的斷裂 ) 或者突然脆性失效。
以前一直認(rèn)為鋁合金的氫脆現(xiàn)象是由名為位錯(cuò)的微觀缺陷引起的。但解析發(fā)現(xiàn)，大部分氫存在于此前認(rèn)為不會(huì)吸收氫的材料的微細(xì)顆粒中，隨著微細(xì)顆粒與鋁的界面剝離，就會(huì)發(fā)生鋁合金氫脆現(xiàn)象。另外研究還發(fā)現(xiàn)，以前被視為障礙物的粗大顆粒也會(huì)儲(chǔ)存氫，因此通過(guò)生成適當(dāng)?shù)拇执箢w粒，可以減少微細(xì)顆粒中的氫量，抑制鋁合金的氫脆現(xiàn)象。
圖1：最近100年來(lái)的材料強(qiáng)度提高過(guò)程
圖2：鋁（圖中為Al）、鐵（Fe）和銅（Cu）的氫溶解度對(duì)溫度的依賴(lài)性。固態(tài)鋁含有大量的氫，因?yàn)橹挥袖X在熔點(diǎn)（670℃左右）時(shí)氫的溶解度會(huì)大幅變化。黃色帶狀部分表示實(shí)際材料在常溫下的氫濃度。可以看出，與液態(tài)鋁一樣含有大量氫。
圖3：鋁合金的延展性～可以控制脆性破壞現(xiàn)象的氫異質(zhì)分散控制概念圖。圖中的間隙、固溶體原子、空位和析出物等標(biāo)記是指鋁合金的納米結(jié)構(gòu)及納米缺陷的類(lèi)型。
圖4：鋁合金破壞現(xiàn)象的4D觀察結(jié)果。a）為加載負(fù)荷前。b）和c）為加載6.3％及8.6％的形變時(shí)的圖像。紅色表示含有高壓氫氣的氣孔，黃色表示裂痕。
利用此次的研究成果，有望進(jìn)一步提高鋁合金的性能，比如強(qiáng)度和延展性等。此外，今后通過(guò)繼續(xù)進(jìn)行各種解析，還有望開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)單、低成本且可應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)用途的技術(shù)。
相關(guān)研究成果已于7月3日（周三）發(fā)布在金屬材料工學(xué)領(lǐng)域最權(quán)威的英文期刊《Acta Materialia》的網(wǎng)絡(luò)速報(bào)版上，正式內(nèi)容預(yù)定發(fā)布在9月1日發(fā)行的第176卷中。
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