西工大新聞網(wǎng)9月24日電（唐斌) 為助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，深入推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，氫能逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。我國(guó)發(fā)改委及國(guó)家能源局發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035）》，期望于2035年形成氫產(chǎn)業(yè)體系。然而氫原子會(huì)降低暴露于其中的金屬構(gòu)件的力學(xué)性能及服役壽命，進(jìn)而限制著氫儲(chǔ)運(yùn)以及氫能的廣泛應(yīng)用，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為氫脆（HE）。由于氫原子非常小，采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段研究氫分布以及氫與材料各種微觀(guān)結(jié)構(gòu)的交互作用受著嚴(yán)重的制約。晶體塑性有限元方法（CPFEM）具有可以方便預(yù)測(cè)材料微觀(guān)組織與氫擴(kuò)散行為的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，是研究氫環(huán)境下多晶合金內(nèi)部不均勻變形、損傷累積及斷裂等行為的有效手段。因此，建立合適的耦合氫擴(kuò)散的晶體塑性本構(gòu)模型研究多晶合金的氫擴(kuò)散行為，并結(jié)合相場(chǎng)斷裂模型預(yù)測(cè)斷裂過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)抗氫脆合金組織設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題。

我校材料學(xué)院李金山教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合南京航空航天大學(xué)趙利果教授團(tuán)隊(duì)，以單晶及多晶純鎳為研究對(duì)象，針對(duì)各類(lèi)晶界對(duì)氫原子加速與捕獲行為進(jìn)行了定量化描述，建立了晶界能依賴(lài)的耦合氫擴(kuò)散的非局部晶體塑性本構(gòu)模型。本工作通過(guò)單晶及多晶鎳在有/無(wú)氫條件下的拉伸曲線(xiàn)確定了晶界影響區(qū)平均強(qiáng)度及鎳的晶體塑性本構(gòu)參數(shù)。并引入晶界空間取向、取向差及界面能等關(guān)鍵參數(shù)，建立了晶界影響區(qū)及晶內(nèi)區(qū)域的氫擴(kuò)散平衡方程，定量考慮了晶界與氫原子的交互作用及氫對(duì)材料加工硬化的影響。將改進(jìn)后的本構(gòu)模型應(yīng)用于雙晶/多晶鎳的應(yīng)力輔助氫偏析行為模擬計(jì)算中，為材料內(nèi)部氫分布特征的預(yù)測(cè)提供了更加具體的指導(dǎo)。并考慮相場(chǎng)斷裂模型進(jìn)行了氫致裂紋擴(kuò)展行為的模擬，驗(yàn)證了氫脆斷裂過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展及合并過(guò)程。為介觀(guān)尺度下預(yù)測(cè)材料在氫環(huán)境下服役壽命、設(shè)計(jì)抗氫脆組織合金、晶界工程提供了新思路，具有重要的應(yīng)用前景。

相關(guān)研究以“A hydrogen diffusion model considering grain boundary characters based on crystal plasticity framework”為題發(fā)表在塑性領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊International Journal of Plasticity (DOI: 10.1016/j.ijplas.2023.103740)。該論文通訊作者為凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李金山教授，唐斌教授，南京航空航天大學(xué)趙利果教授，第一作者為博士研究生李凱迪。該工作獲得國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(J2019-VI-0023-0140)以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFB3702604)的資助和支持。

（審核：蔡利劍）