氢脆是限制高强钢等先进结构材料应用的一大难题。长期以来，普遍认为固溶在金属晶格中的氢原子会与位错发生交互作用，影响材料的塑性变形能力。然而，在复杂的面心立方（FCC）奥氏体钢中，除了氢原子，还存在大量的合金元素以及随变形产生的位错林，它们都是位错运动的障碍。那么，在热激活塑性变形过程中，究竟是哪种障碍物起主导作用？氢的加入又是如何改变这种竞争关系的？传统的研究方法难以捕捉到不同障碍物之间此消彼长的动态过程。

近日，日本国立材料科学研究所（NIMS）的团队通过应力松弛测试分析方法，清晰地揭示了在含氢奥氏体不锈钢中，氢原子、合金元素与位错林这三种障碍物对材料塑性变形的控制权并非一成不变，而是随着外加应力的变化发生动态竞争。这一发现为理解和预测氢环境下金属材料的力学行为提供了全新的视角。目前这一成果在线发表于材料领域的国际期刊《Acta Materialia》，论文题为“Relative contributions of solutes and forest dislocations to thermally activated plasticity in hydrogen-alloyed Fe-Cr-Ni austenitic steels: analyzing stress-dependence of Haasen plot”。日本国立材料研究所Yuhei Ogawa研究员为本论文的通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122577

【核心内容】

研究首先获得了1000s的应力松弛实验数据，通过对松弛曲线的分段分析，构建了不同应力水平下的“Haasen图”（即应变速率敏感性与流变应力的关系图），Haasen图的斜率和截距分别对应着位错林和固溶原子对变形的贡献。通过比较不含氢和含氢（约8500 at ppm）的310S奥氏体不锈钢在不同应变阶段的Haasen图变化，团队成功追踪了氢、合金元素和位错林这三类障碍物的主导地位如何随应力降低而发生转变。

非充氢与充氢试样的真应力-应变曲线、加工硬化率曲线及背应力随应变的变化

【研究成果】

① 氢的双重效应：提升截距，降低斜率

在常规加载条件下，氢加入后，材料的Haasen图截距增加，并且斜率降低，这说明氢使得原本就存在的合金元素障碍变得更加“难以逾越”，即氢原子通过形成额外的能量壁垒，增强了固溶强化效应。而斜率的降低并非意味着位错林变弱，而是因为氢的存在大幅提升了有效应力，使得位错在克服合金元素障碍时就消耗了大量能量，从而掩盖了位错林的贡献。

非充氢与充氢试样在不同应变水平下卸载-再加载过程中的应力-应变滞回环

不同氢含量及不同应力状态下310S钢的Haasen图

Haasen图截距与斜率随外加应力的变化

② 应力驱动的机制转变：从溶质控制到位错林控制

随着应力松弛过程的进行，含氢试样的Haasen图截距逐渐降低，斜率逐渐增加，最终趋近于无氢试样的曲线，这表明，当应力降低后，位错林的阻力重新成为控制变形的主导因素，团队用经典的Schoeck模型解释这一现象：在高压应力下，克服合金元素所需的激活能ΔGs高于克服位错林所需的ΔGd，因此变形由溶质控制；而当应力下降后，由于位错林具有更大的零应力激活能，其ΔGd反超ΔGs。

基于Schoeck模型的溶质与林位错热激活能随应力变化的竞争关系示意图

③ 统一的物理图像

团队认为氢并不改变障碍物本身的形状，而是在原有的障碍物势垒上叠加了一个额外的能量峰（ΔGH），为了在相同时间内翻越这座“复合能量峰”，位错必须施加更大的外力，从而在势垒曲线上处于更高的位置，这不仅导致了宏观上流变应力的增加，也使得克服障碍所需的激活体积变小，进而解释了为何应变速率敏感性会升高。

（a,b）EBSD反极图显示非充氢与充氢试样在0.30真应变下的变形织构与孪晶带；（c,d）TEM图像显示纳米级孪晶板条与位错胞结构

氢对位错克服固溶障碍物力-距离曲线影响的示意图

【总结与展望】

这项的研究不仅证实了氢能提高奥氏体钢的有效应力，更重要的是，清晰地描绘了氢、合金元素和位错林三者之间随应力变化的动态竞争关系，为开发更精确的氢脆预测模型以及设计抗氢脆性能更优的合金提供了坚实的理论基础。