《Materials Today Communications》：Effect of hydrogen on the formation and evolution of annealing twins in Nickel
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氢脆机制研究：氢对纯镍退火孪晶形成与演变的影响分析，采用电子背散射衍射（EBSD）技术，发现氢通过钉扎高角度晶界（HAGBs）抑制退火孪晶的形核与演化，抑制率达26.8%-27.4%，同时促进A型、C型孪晶发展，揭示氢对孪晶类型演化的双重作用机制。
王彦泽|沈俊杰|任贺|储荣晓|郝明
天津工业大学机械工程学院，天津先进机电系统设计与智能控制重点实验室，中国天津300384
摘要
由于具有较低的氢致脆化敏感性和出色的结构稳定性，退火孪晶已成为抵抗氢诱导损伤的关键微观结构特征。本研究通过电子背散射衍射（EBSD）分析了氢对在真空和氢气氛中退火的纯镍中孪晶形成和演变的影响。氢通过固定高角度晶界（HAGBs）的迁移，抑制了孪晶的形成和演变，其抑制幅度为26.8%–27.4%。氢对孪晶形态演变的影响不同：氢促进了A型和C型孪晶的演变，而阻碍了B型和D型孪晶的演变。氢促进A型孪晶的演变是由于其在晶界三重结处的固定作用；C型孪晶的增加则是由于氢阻碍了肖克利位错的移动。本研究为高温氢腐蚀（HTHA）的强度降低现象提供了见解。
引言
高温氢腐蚀（HTHA）对石油化工反应器、氢储存/运输系统以及高温固体氧化物燃料电池（SOFC）等工业设备中金属材料的结构完整性构成了严重威胁[1]。除了钢中的脱碳和甲烷生成现象外，氢诱导的降解通常表现为金属材料机械强度的下降，这通常与晶界的微观结构恶化有关[2]、[3]。
研究表明，晶界特性是决定金属材料氢致脆化敏感性的关键因素。普通晶界由于其较高的位错密度，成为氢捕获的有效场所[4]，从而促进空位的形成并加速金属材料的脆化和断裂。相比之下，孪晶界（TBs），尤其是Σ3{111}相干孪晶界（CTB），由于其高度有序的原子排列、较低的过剩自由体积和较高的表面分离能，表现出显著的抗晶界开裂能力[5]、[6]、[7]。其根本原因在于：高度有序的原子排列和较高的表面分离能使得孪晶界的能量极低，原子间结合力强，导致晶界区域的原子紧密堆积，从而抑制了氢的吸附和扩散；较低的过剩自由体积大大减少了晶界缺陷（如空位、位错等氢陷阱），降低了局部氢富集的可能性。此外，孪晶界的广泛分布打破了随机晶界的连通性，将氢的扩散路径分割成孤立的短链结构[5]，从而显著降低了金属材料对氢诱导的晶间腐蚀和裂纹扩展的敏感性。这些特性使得孪晶界成为抵抗氢诱导损伤的关键微观结构特征。然而，氢与退火孪晶动态演变之间的相互作用仍存在争议。一些研究表明，氢通过降低堆垛错能（SFE）[8]和活化能障碍[9]来促进孪晶的形成；相反，也有证据表明氢通过抑制表面位错的形成[10]、[11]来抑制孪晶的形成。这种机制上的矛盾进一步因氢效应的空间分布依赖性而变得复杂。
本研究的目的是阐明氢对面心立方（FCC）金属中退火孪晶形成和演变的影响。首先对纯镍进行冷轧处理，然后在真空和氢气氛中退火。通过电子背散射衍射（EBSD）对孪晶进行了表征。这些发现加深了对HTHA机制的理解，并为通过晶界工程策略设计抗氢合金提供了理论支持。
实验部分
实验
实验使用了商业纯镍片（纯度99.95%）。先将原料材料进行50%的冷轧，厚度降至2.5毫米，然后在1000°C下进行30分钟的应力释放退火，以消除残余应力并实现微观结构的均匀化。均匀化的样品随后进行单向冷轧（每次轧制减少5%，总减少量为85%），并切割成尺寸为8毫米×6毫米×0.75毫米的试样。
氢对退火孪晶密度的影响
图1a显示了经过85%冷轧后的纯镍的晶界特征图。沿轧制方向（RD）的晶粒显著拉长，晶界附近观察到细小晶粒。低角度晶界（LAGBs，2°-15°）和高角度晶界（HAGBs，>15°）分别用灰线和黑线表示。
对退火孪晶形成和演变影响的机制
根据Gleiter的原子生长事故理论，退火孪晶的形成源于晶界迁移过程中的错误原子附着，即收缩晶界的原子被生长晶界吸收[17]。K.H. Song等人进一步提出，退火孪晶的形成始于随机HAGBs的快速迁移。
结论
本研究通过EBSD研究了氢对FCC纯镍中退火孪晶形成和演变的影响。主要结论如下：
1.氢抑制了退火孪晶的形成和演变。在初始退火阶段（0.5小时），氢使孪晶密度降低了85.8%。在长时间退火（2小时和6小时）后，氢对孪晶密度的抑制效应稳定在26.8%–27.4%。这归因于氢在晶界的富集和固定作用。
作者贡献声明
郝明：验证、监督、研究。任贺：验证、监督、研究。储荣晓：验证、监督、研究。王彦泽：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件应用、研究、数据管理。沈俊杰：验证、监督、软件应用、方法学、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本项目得到了国家自然科学基金（项目编号51605330）和天津市自然科学基金（项目编号18JCYBJC8870）的支持。
