基于文献计量学的氢脆研究的演进、热点和趋势分析

氢脆是氢引起材料脆化的现象,导致材料塑性及韧性下降,使材料易于开裂或脆断。金属材料面临的氢脆问题,随着钢(高强钢)在工业上的广泛应用以及对材料的更高要求而愈发尖锐。本文试图从文献的角度,基于文献计量学的统计分析方法和可视化文本挖掘工具Cite Space,梳理氢脆研究的发展演进过程、当前的研究热点和未来研究趋势。氢脆研究可分为萌芽期、缓慢增长期、直线增长期和指数增长期,研究主力在不断变化,如英国、德国、美国、日本,21世纪,中国的研究增速最快。研究热点主要集中在钢铁材料氢致脆性断裂相关的科学问题,包括氢脆与材料微观组织的关系、氢在材料中的扩散行为、材料在氢环境下的失效行为以及应力和氢环境作用下裂纹萌生与扩展行为等。微观组织调控降低材料的氢脆敏感性、氢制备和存储技术、用于氢制备与存储相关材料的制氢和储氢性能及面临的氢致脆性断裂问题仍将成为未来研究人员关注的焦点。     

尺度对金属材料电阻率影响的研究进展

随着微/纳米技术的发展,在微/纳尺度器件中金属材料的几何尺度或微观结构尺度从宏观尺度逐渐减小到微米、亚微米甚至纳米量级,其室温电阻率往往表现出明显的尺寸效应。本文总结了近年来关于不同尺度金属材料电阻率的研究进展,重点介绍了金属材料的微观结构、缺陷尺度以及几何尺度对金属材料电阻率的影响及相关的理论模型,探讨了材料内部微观结构尺度与几何尺度对材料导电性能的影响规律。最后,对微尺度金属材料电阻率及其服役可靠性的研究趋势进行了展望。     

金属材料常温高压氢脆研究进展

氢能及燃料电池技术是我国当前重点发展的前沿技术之一。安全经济的氢气储运技术是氢能利用推向实用化、产业化的关键，35-75MPa高压储氢是现阶段可以商用的一种储氢方式。金属材料长期在常温高压氢环境中使用，有可能发生氢脆，引发脆性破坏事故。为确保高压储氢系统长期、稳定、可靠地运行，必须考虑金属材料常温高压氢脆问题。本文以国内外研究成果为基础，介绍常温高压氢脆机理，分析几种金属的抗氢脆性能，并提出我国高压容器用钢抗氢脆性能研究的建议。     

增材制造金属材料的疲劳性能研究进展

金属增材制造作为前沿热点制造技术之一,近年来在各种重要工业领域的研究和应用日益广泛。利用增材制造技术制备金属材料的过程中,不可避免会造成材料表面粗糙、气孔、未熔合等缺陷,虽然工艺技术的改进可以在一定程度上减小缺陷程度,但至今仍无法完全消除这些缺陷。增材制造金属材料的过程中,缺陷部位通常会成为应力集中源诱发疲劳裂纹的形核,造成金属材料的疲劳寿命下降。首先从表面质量、内部缺陷及微观结构等方面阐述了增材制造金属材料疲劳性能的影响因素;其次从宏观与微观角度概括了疲劳裂纹萌生/扩展机理的研究现状与进展;总结了热处理、表面优化、电磁辅助以及超声辅助等疲劳延寿技术的研究进展;最后讨论了基于机器学习技术的疲劳寿命评估模型,同时展望了机器学习和人工智能技术在增材制造金属材料领域的应用前景,为推动增材制造金属材料的发展和应用提供了借鉴与参考价值。     

多尺度实验测试评价高强钢氢脆的研究进展

氢脆是高强钢中普遍存在的现象,也是其研发过程中必须攻克的难题。为了深入理解高强钢的氢脆与其缺陷之间的关系,发展了许多测试评价方法,如宏观尺度的慢应变速率拉伸、线性增加应力、恒载荷拉伸这类力学实验以及检测氢含量的热脱附光谱法和电化学氢渗透法,根据高强钢的塑性损失、最大断裂应力、断裂时间、应力强度因子、氢的俘获能和扩散速率等参数直接进行氢脆敏感性的评价。但宏观尺度的实验无法深入地研究高强钢发生氢脆的机理,通过介观、微观尺度的实验和表征手段,如压痕法、纳米压痕法、微悬臂梁弯曲实验、原子探针技术、氢微印技术、扫描开尔文探针显微镜等,从局部测试高强钢性能变化和准确检测氢被俘获的位置,能够在解释氢脆机理和认识氢与高强钢中缺陷之间相互作用的问题上提供更加准确的依据。本文介绍、对比了上述这些实验方法并调研了多尺度实验测试评价高强钢氢脆的研究进展,总结了高强钢氢脆研究现状和主流的测试评价方法,为深入探索高强钢氢脆提供了思路。     

腐蚀条件下高强钢超高周疲劳性能及损伤机理研究进展

在疲劳载荷作用下，材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在107以上的过程被称为超高周疲劳。部分高强钢机械部件需在恶劣环境中服役，服役期间承受的疲劳载荷周次高达108～1011，高强钢在腐蚀环境中的超高周疲劳问题成为影响结构可靠性、安全性的关键问题，是航空航天、汽车、高铁等领域亟待解决的难点。得益于金属材料在传统疲劳问题上的总结积累与先进试验手段的助力，诸多学者开发出多种新的试验方法，有针对性地对高强钢在腐蚀条件下的超高周疲劳问题展开研究。目前，关于腐蚀条件下高强钢超高周疲劳性能退化规律及损伤机理、腐蚀条件下裂纹萌生竞争机制及裂纹初期扩展行为、氢对高强钢超高周疲劳性能及颗粒亮面形成机制的影响等核心问题的认识愈发清晰，逐渐从对试验现象的描述与归纳深入到对损伤机理的探索与推演，而且部分研究成果已经逐步在工程实践中得到应用。本文首先从S-N曲线等角度简述了高强钢无腐蚀条件下的超高周疲劳损伤特征;然后总结了典型腐蚀介质对高强钢超高周疲劳性能的影响，并指出氢脆断裂为高强钢在腐蚀环境中的断裂机理之一;随后详述了氢对高强钢超高周疲劳性能及颗粒亮面形成机制的影响研究进展;最后对几个关键问题进行了展望。     

金属-氢系统的第一性原理计算研究进展

金属-氢系统的研究是材料领域中非常重要的一个研究方向,对其进行深入系统的研究对于解决氢脆问题、明确过渡金属催化氢机理、发展储氢材料及热氢处理技术都具有重要作用.为明确金属-氢相互作用的微观机理,本文综述了基于第一性原理的金属-氢系统的研究现状,阐述了氢对金属的晶体结构、电子结构、力学性质的影响及其氢在金属表面及内部的吸附、扩散行为, 指出了现有研究的局限性,并展望了未来第一性原理在金属-氢系统研究领域中的发展方向.     

铍青铜的性能研究综述

比较全面地收集和归纳分析了QBe2铍青铜的力学性能研究结果,包括硬度、强度、应力松弛、疲劳性能、抗氢性能等,可为研究掌握氢及其同位素对QBe2铍青铜力学性能及微观组织的影响,分析QBe2铍青铜材料及阀门的氢致失效机理提供研究基础。     

钢铁材料中第二相颗粒强韧化的研究进展

第二相颗粒是钢材强韧化的重要方法,可以同时兼顾钢材的强度、韧性以及其他服役性能。随着近年来对钢材强度要求的提高,研究人员开发出了一大批新型钢铁材料,第二相颗粒强韧化在这些新型钢材中亦发挥了重要作用。但与此同时,在这些新型钢铁材料中,第二相颗粒强韧化也面临着诸多挑战与机遇:纳米尺度颗粒的表征与调控、第二相颗粒与多相微观组织的相互作用以及钢材服役性能的优化等等。通过汽车轻量化用钢、超高强度马氏体时效钢、核反应堆用钢、高模量钢等不同钢材,总结了第二相颗粒对新型钢铁材料的强度、韧性、焊接性、成形性、抗氢致延迟断裂、蠕变、抗辐射损伤等性能的影响,并结合这些新型钢铁材料独特的微观组织、制备工艺、服役环境等特点,分析了其第二相颗粒强韧化的机理以及尚待解决的问题,旨在为钢中第二相颗粒强韧化领域的进一步研究与发展提供参考。     

高强铝合金氢致开裂研究进展

高强铝合金作为环保型轻量化材料,近年来受到研究人员的极大关注。对目前高强铝合金在氢来源、氢脆机理、影响因素和氢测量方法等方面进行了介绍,并进行了简要分析,为高强铝合金氢脆的持续研究提供一定的背景资料。     

金属/合金材料吸附气体的热脱附研究进展

研究金属/合金材料中气体原子的迁移、聚集和成泡机制,通常以研究微观缺陷捕获气体原子的微观机制为出发点,分析气体原子与缺陷的相互作用,已成为研究材料中气体原子热动力学机制的一个主要课题。热脱附谱仪(thermal desorption spectroscopy,TDS)采用原子质谱分析技术测量材料表面吸附气体的热脱附量随温度变化,获取气体元素原子与空位、位错等微观缺陷的结合能,以及气体原子/气泡的迁移能、热脱附能等热力学参数,从而研究材料中不同微观缺陷捕获气体原子以及气泡形成的微观机理。充分调研了国内外应用TDS技术研究金属/合金材料中气体元素与微观缺陷相互作用机理的最新进展,特别是应用TDS技术研究反应堆结构材料中辐照嬗变气体产物氢/氦与辐照缺陷的相互作用。     

Cr对Cu-V氢分离合金组织与氢传输性能的影响

氢分离金属膜是目前备受关注的一种用于氢气提纯的功能材料.为了获得综合性能优异且价格低廉的氢分离金属膜,本文借鉴"多相构成、功能分担"的设计理念,通过非自耗电弧熔炼炉制备合金,采用XRD、扫描电子显微镜等手段研究合金相组成及微观组织,采用课题组自主设计的仪器设备在不同温度和压力下进行氢溶解和氢渗透实验,开发了具有双相结构的新型Cu-V-Cr氢分离合金.结果发现:该合金微观组织中的bcc-(V)固溶体相起渗氢作用,是氢的主要扩散通道;而组织中的fcc-(Cu)固溶体相起提高塑性作用.合金化元素Cr主要固溶在bcc-(V)中,显著降低合金的氢溶解能力,大幅度提高抗氢脆性能,但同时也降低合金的氢扩散系数和渗氢性能.实验表明,具有双相结构的Cu-V-Cr氢分离合金有望达到氢溶解、扩散和渗透性能的良好匹配,从而同时实现优异的氢渗透性能与抗氢脆性能.     

SiCp/2024复合材料的氢脆敏感性研究

在浸泡、阴极极化、阴极极化同时迭加拉伸变形、添加As₂O₃毒化剂等常见致氢条件下,通过慢应变速率拉伸试验研究了SiC_p/2024复合材料的力学性能,考察了断口形貌.测定了该材料在按几种常用充氢条件充氢后的氢含量.发现虽然强烈阴极极化使材料力学性能下降,但其原因在于阴极极化引起的碱性腐蚀,与氢脆无关.获得了不同于前人研究的新结论:在本文试验条件下SiC_p/2024材料不发生氢脆,也不发生不可逆氢损伤,其原因与该材料难以充入氢有关.     

表面改性对抗氢钢吸氢和抗氢性能的影响

利用激光、电子束、磁控溅射镀铝等进行表面处理 ,探讨了J75钢表面特性的改变及其对材料吸氢能力和抗氢脆性能的影响。结果表明 ,表面改性后吸氢能力降低 ,材料内部的含氢量减少 ,最大减少幅度达 14.4 % ;抗氢脆性能则明显提高 ,达到 30 %以上。     

基体偏压模式对CrN薄膜结构和阻氢性能的影响

为了避免金属材料因为氢扩散而导致的失效,通常在其表面制备氧化物或氮化物等的阻氢薄膜,而薄膜的微观组织、晶体结构等对其阻氢性能的影响显著.本文在不锈钢基体上制备出CrN阻氢薄膜,系统研究了高/低基体偏压调制模式对CrN薄膜结构和阻氢等性能的影响.采用高功率磁控溅射技术在四组基体偏压模式下分别制备了具备一定高温抗氧化性的C...     

纳米金属多层膜的强韧化及其尺寸效应

如何有效地协调和平衡材料强度与韧性之间的矛盾,大幅度地提高结构材料的损伤容限,是非均质金属材料微观结构敏感性设计的巨大挑战。纳米金属多层膜作为一类典型的非均质金属材料,由于不仅可以调整其组元几何和微观结构尺度,而且可以引入具有不同本征性能的组元材料和不同结构的层间异质界面,因此在获得高强高韧金属结构材料方面具有潜在的能力。结合当前国内外有关金属多层膜塑性变形强韧化机制及其尺寸与界面效应研究的最新进展,分别阐述了晶体/晶体Cu/X(X=Cr,Nb,Zr)与晶体/非晶Cu/Cu-Zr金属多层膜/微柱微观结构-尺寸约束-服役性能三者之间的关联性,并对纳米金属多层膜研究的发展趋势进行了展望。     

电磁脉冲处理技术研究现状及其展望

电磁脉冲处理是指以脉冲电流或脉冲磁场的形式,将电磁脉冲能量引入材料或零件中,从而改变其微观组织、形状、机械性能及服役性能的处理工艺。本文从电磁脉冲对材料微结构的作用机制、影响特征以及对材料力学性能的影响3个方面,梳理了电磁脉冲处理技术的作用原理,评述了国内外相关基础理论研究进展;从电磁脉冲辅助成型制造、电磁脉冲热处理、电磁脉冲微观缺陷修复3个方面,总结了电磁脉冲处理工艺方法;并从电磁脉冲处理技术微观机理、电磁脉冲处理技术模拟研究及耦合电磁脉冲处理技术研究3个方面,展望了电磁脉冲处理研究领域未来的研究方向。     

两种零件不同条件下氢脆断裂分析

对两种零件不同条件下氢脆断裂的宏、微观形貌特征进行了观察与分析,并对断裂构件的氢含量进行了分析测试.结果表明,钢制构件中氢含量超过一定值后均可发生氢脆断裂.构件是否发生氢脆断裂以及氢脆断裂的宏、微观形貌特征与构件中的氢含量、材料强度、所受应力状态等有关.     

热处理对特种设备用高强钢激光–电弧复合焊接头氢脆断裂行为的影响研究

目的 提高800 MPa级特种设备用低碳贝氏体高强钢激光–电弧复合焊接头的抗氢脆性能。方法 采用预充氢后慢应变速率拉伸试样的方法,定量评估焊态、焊后直接高温回火和焊后调质3种状态下800MPa级低碳贝氏体高强钢激光–电弧复合焊接头的氢脆敏感性,结合扫描电镜下的初始微观组织和断裂特征,讨论抗氢脆性能的改善机理。结果 焊后调质处理有效消除了焊接热循环形成的马氏体组织,使接头各区域的微观组织趋于一致,接头的抗氢脆性能较焊态和直接焊后高温回火态的显著提高,断裂特征也从沿晶和穿晶的混合断裂转变为穿晶解理断裂。结论 焊后调质处理可以有效提高800MPa级低碳贝氏体高强钢激光–电弧复合焊接头的抗氢脆性能。     

应力三轴度对淬火态硼钢氢脆敏感性的影响

对硼钢进行电化学充氢和低应变率拉伸,分别画出了纯剪切、单向拉伸及近似平面应变状态下淬火态硼钢充氢前后的应力-应变曲线,并基于等效塑性应变量化了硼钢的氢脆敏感性,研究了应力三轴度对淬火态硼钢的力学性能和氢脆敏感性的影响。用SEM及EBSD表征试样断口的微观组织,根据淬火态硼钢充氢前后断裂模式的变化分析了硼钢在不同应力状态下的氢脆机理。结果表明,淬火态硼钢在剪应力状态下的氢脆机理与拉伸应力状态显著不同,使其氢脆敏感性比拉伸应力状态显著降低。