近日，《Nature Communications》以“Atomic-scale insights on hydrogen trapping and exclusion at incoherent interfaces of nanoprecipitates in martensitic steels”为题在线发表了我校材料基因工程高精尖创新中心乔利杰教授团队和南京理工大学材料科学与工程学院/格莱特研究院陈光院士团队的最新合作成果。该研究发现并非所有的纳米析出相都能捕获氢，析出相与基体界面上的碳/硫空位和弹性拉应变场可能决定了界面的氢捕获行为。该成果为探究纳米尺度特征的氢捕获行为和微观机理提供了一种有效的实验方法，为利用纳米相析出相兼得强化和抗氢效果奠定了一定基础。
氢原子是半径最小的原子之一，很容易渗入材料中，使材料在低于其屈服强度或塑性变形能力的情况下发生脆性断裂，极大危害材料的服役安全。一般来说，材料强度越高对氢越敏感，因此高强钢研发和服役过程中需要关注“氢脆”问题。前期研究表明，弥散分布在金属材料基体中的纳米析出相除了能强化材料外，也可能捕获氢，进而减少材料中可扩散氢的含量，起到提升材料抗氢能力的效果。然而，纳米析出相捕获氢的微观机理目前仍缺乏明确的实验证据；另外，对于非共格纳米析出相，由于其与基体的非共格界面结构多样且复杂，对氢的捕获行为和机制也存在争议。本研究通过扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）首次原位探测了单个非共格纳米析出相界面捕获氢原子的行为（如图1-2）。结果表明，不是所有的析出相都有助于抗氢脆，有些非共格界面捕获氢原子，而有些非共格界面排斥氢原子。图1. 马氏体钢中纳米析出相的原子力显微镜形貌图
和扫描开尔文探针力显微镜实验过程示意图
注：纳米相周围的暗环和亮环分别表明了其捕获氢和排斥氢的行为
图2. 原位扫描开尔文探针力显微镜照片揭示了不同纳米析出颗粒迥异的氢捕获行为
进一步，通过球差校正扫描透射电子显微镜表征了上述不同行为特征对应的界面原子尺度结构和化学特征（如图3-4），表明具有氢捕获特征的纳米析出相表面存在碳/硫空位，且界面近邻基体存在弹性拉应变场；相反的，具有排斥氢特征的纳米析出相表面没有明显的碳/硫空位，且界面临近基体存在弹性压应变场。因此，碳/硫空位和弹性拉应变很可能是非共格界面捕获氢原子行为的关键要素。图3. 纳米析出相结构、与基体的相对取向
和界面模型
图4. 纳米相内部和界面处电子能量损失谱分析
和界面附近的原子级应变分布
上述认识为更好的利用纳米相析出相兼得强化和抗氢效果，为开发高强“抗氢”钢提供了基础指导。由于固溶氢原子的直接成像较为困难，该研究为探究纳米尺度特征的氢捕获行为并同位剖析其微观机理提供了一种有效的实验方法，为材料-氢交互作用的原子机理研究提供了新途径。本工作得到了国家自然科学基金（U1706221, 52071022, 51571117, 52171002）的大力支持。