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文章题目：Elemental segregation inhibits hydrogen embrittlement in aluminium alloys氢在铝合金晶界的富集诱导晶界脆化并促进了合金的沿晶界脆断，研究发现合金内溶质元素的固溶强烈影响了氢原子的扩散和脆化能力。目前，虽然已经提出了5种氢脆机理 (hydride formation and cleavage (HFV), hydrogen-enhanced localized
plasticity (HELP), hydrogen-enhanced decohesion (HEDE),
adsorption-induced dislocation emission (AIDE), hydrogen-enhanced
strain-induced vacancy (HESIV))，但仍没有一个统一的认识。因此，我们基于Al合金晶界偏析工程，并依靠晶界断裂体系中各元素平衡和非平衡浓度，建立了断裂体系的热力学模型，采用Griffith和Rice-Wang-Scheiber模型预测平衡、非平衡浓度下晶界的强韧化机制。在电子、原子层次创新性的发现Y, Zr等元素的吸附氢及抑制氢脆的内在机制。图1 (a) 含有掺杂元素的晶界，其中红色圆圈代表掺杂原子，(b, c)晶界断裂后形成的自由表面示意图，(e) 富含H的Al合金晶界结构和(f) 晶界断裂后形成的裂纹表面图像根据第一性原理计算和参考实验数据确定四种金属溶质（Y、Zr、Mg和Zn）对铝合金晶界氢脆的影响。首先研究了四种溶质的偏析能、竞争偏析浓度和结合能，以确定它们的偏析状态。其次，研究了上述溶质通过晶界能、自由表面能和粘附力抑制或促进铝合金氢脆的能力，主要通过Griffith和Rice-Wang-Scheiber模型来确定非平衡浓度对粘附力的影响。进一步采用单轴应变加载法进行拉伸试验，以确定铝合金晶界的抗拉强度和延伸率。通过研究各元素电荷密度、Bader电荷和COHP以确定四种溶质的氢脆机制。最后，本研究的计算结果与实验结果基本吻合。
7XXX高强铝合金具有高比强度、良好的抗腐蚀性能、高断裂韧性等优异的性能，在航空航天、制造、运输和移动通信领域被广泛应用。不幸的是，高强度铝合金对环境辅助开裂非常敏感，氢降低了铝合金的力学性能，导致合金的延展性和强度的显著下降。目前，普遍认为面心立方结构的材料，如铝合金，对氢吸附和氢损伤具有更强的抵抗能力。因此，并提出了预测新材料氢脆敏感性的科学机理及寻找在氢存在下具有高强度和良好韧性的Al合金是氢脆化领域的一个重要研究方向。原子间复杂的相互作用决定合金的组织结构特征进而控制材料的宏观力学性能。首先，通过原子探针技术可以精准的展示H的分布位置和浓度，但是，氢脆的核心之一是H与溶质元素在组织结构(如晶界)上的复杂关系，通过实验手段很难完全掌握这一关系。因此，精准的掌握Al合金的氢脆必须从原子层次分析氢行为。其次，H在晶界偏析会降低原子间的结合力，研究指出晶界是H脆优先攻击的位置，高浓度的氢往往对应着较低的内聚强度，通过H诱导的脆性准解理断裂和沿晶断裂降低了合金的强度和韧性，H脆裂纹也容易通过晶界网络在合金的整个结构中传播。最后，元素组成是决定材料微观结构的核心的因素，元素和H的相互作用直接促进或抑制了氢脆，通过调节固溶元素行为提高合金的氢脆抗力，是近来研究的热点和难点。因此，基于Σ5（210）晶界（图2）研究了溶质元素抑制氢脆的目的。图2 (a)FCC铝的完美模型，(a1)八面体间隙位点，(a2)四面体间隙位点，(b)FCC Σ5 (210) 晶界模型，(b1)五面体间隙位点，(b2)三角棱形间隙位点，(b3)四面体间隙位点，以及(c) (210)自由表面我们结合第一性原理计算手段以及参考晶界偏析工程的实验数据，研究了H与合金元素在晶界结构上的复杂化学作用以及在连续或恒定浓度下的断裂机制。目前实验和计算手段的结合是材料研究的主流，精确的第一性原理模拟是计算单个原子，多个原子和复杂界面中原子间关系的先进手段，他们为材料的预测和设计提供了见解，并克服了实验研究的限制。研究后主要的创新点为：如图3(a-b)，发现了Y和Zr在提高Al合金强度的同时也抑制了氢脆，Mg和Zn对氢脆的抑制不明显；特殊的是，Zr抑制氢脆的能力来源与Zr抑制H扩散和与Al的成键，另外，裂纹表面Zr的不偏析促进了晶界内聚力的提高，促进了晶界强化和沿晶内断裂（图4）；Y抑制氢脆的能力弱于Zr，Y抑制氢脆的能力主要来源于Y大幅度提高Al合金的晶界强度；基于Rice-Wang-Scheiber模型可以获得设计最强晶界的元素浓度模型，也验证了裂纹自由表面和应力的正线性关系（图3(c)）；最后，一个小的问题也被发现，即H原子在四面体间隙获得最小能量而不是八面体间隙（图5）。图3 在对铝合金的晶界进行拉伸试验时记录的应力-应变曲线：(a)不含H的铝合金和(b)含H的铝合金, (c) 在准弹性阶段（应变<0.10），FS能量和应力之间的关系图 5 (a) H在不同间隙位置（四面体(Tet)、八面体(Oct)、五面体(Pen)和其他随机(Ran)间隙位置）的总能量和(b)结合能在Al合金的氢脆研究中，元素的偏析效应是氢脆的核心问题，我们通过单原子或多原子的共同偏析并引入浓度和温度来解决这一挑战，最后，基于热力学设计了Griffith and the Rice–Wang model 解决应力诱导晶界断裂问题。Griffith模型暗示裂纹在扩展阶段晶界处溶质的浓度恒定，一般对应低温快速断裂变形。 如图6，根据Rice-Wang断裂模型，断裂前晶界上的溶质浓度与断裂后分离的自由表面上的溶质浓度不同，这种情况即考虑溶质的扩散，一般对应高温缓慢变形。 Griffith模型的验证通过DFT拉伸很好的解决，并发现了溶质原子间不同的断裂机制。本文所全面深刻的提供了Σ5 晶界上元素间复杂的偏析效应和断裂特性。更重要的是探索了基于晶界偏析工程来调控材料的微观结构以达到抑制氢脆的目的。传统能量做差+过渡态+电子/电荷的方式分析虽普遍，但是过于常规，在拓展计算应用的同时需要和实验及热力学等理论紧密结合以发挥出计算模拟更大的活力。本文基于实验数据和热力学，结合晶界偏析工程研究了Al合金的氢脆问题，但是忽略了晶界特征多样性和高温扩散，比如H或溶质元素在不同类型晶界的高温扩散等问题，在下一步这就是我们持续研究的方向。王彪：中山大学教授、博导、杰出青年基金获得者（1997）、国务院政府特殊津贴（2000年）、“广东特支计划”杰出人才（南粤百杰）（2019年）；获得多项国家级和省部级科技奖项，包括ISI（美国科学信息研究所）“经典引文奖”（Citation
Classic Award, 2000年）、教育部科学技术成果一等奖（2004年，排名第一）、第五届中国青年科技奖（1997年）、“做出突出贡献的中国博士学位”获得者（1991年）、广东省科学技术一等奖（2007年, 排名第一）、广东省丁颖科技奖（2010年）等。目前，兼任中国力学学会常务理事、广东物理学会理事长、教育部核工程与技术专业教学指导委员会成员等。王彪教授主持了国家自然科学基金原创探索计划项目（2021年）、国家自然科学基金重点项目（2018年、2012年、2007年）、国家科技部863研究计划（2000年）、国防科工委重大基础研究计划（2012年）等多项科研项目。发表SCI收录的国际学术杂志论文400余篇，出版专著2部，获公开和授权发明专利50余项。陈家鹏：东莞理工大学材料科学与工程学院副教授。共发表了SCI期刊论文总计10篇，包括Journal
of the Mechanics and Physics of Solids，Extreme
Mechanics Letters，SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy。主持了国家自然科学基金青年基金以及中国博士后科学基金面上资助。作为主要参与人参与国家自然科学基金原创探索计划项目1项，面上项目2项。Hui Jun, Biao Wang, Jiapeng Chen, Xiaoyong Zhang, Elemental segregation inhibits hydrogen embrittlement in aluminium alloys, Adv. Powder Mater. 2023, 2,100099. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100099https://wwul.lanzoue.com/il01n0j0j4zi