Водород, наилегчайший элемент, может свободно растворяться в металлах, превращая эти ковкие материалы в хрупкие и ломкие. После многих десятилетий проб и ошибок учёные наконец-то смогли лучше понять сам механизм явления, а потом ещё и создать теоретическую модель, предсказывающую возникновение водородной хрупкости.

Со времени открытия в 1875 году водородная хрупкостьостаётся серьёзной головной болью при разработке конструкционных материалов для самых разных отраслей промышленности, от постройки боевых кораблей до самолётов и ядерных реакторов.

Несмотря на десятилетия исследований, специалисты до сих пор не до конца понимают физические процессы, лежащие в основе явления, и уж тем более не могут построить строгую модель, способную предсказать, где, когда и как водородная хрупкость материала даст о себе знать. В итоге, как и встарь, учёные, занятые новыми материалами, вынуждены полагаться на метод проб и ошибок.

Рис. 1. Микротрещина может развиваться двумя путями: так, как наверху (при отсутствии водорода), и так, как внизу (в случае растворённого в металле водорода). (Иллюстрация Elsevier B.V.).

Но, кажется, этой истории приходит конец. В исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Nature Materials, сотрудники Университета Макгилла (Канада) и Федерального политехнического института Лозанны (Швейцария) показали, что

проблема водородной хрупкости может корениться в том, как водород меняет поведение материалов на наноуровне.

Основным достижением проделанной работы стало создание модели, которая может точно предсказывать появление водородной хрупкости.

При нормальных условиях металлы подвергаются пластичной деформации под действием достаточных внешних сил. Пластичность возникает из способности нано- и микроразмерных трещин образовывать внутри металла дислокации — сдвиги атомов, которые приводят к сбросу напряжения в материале.

Сами учёные сравнивают дислокации с автомобилями, перевозящими пластические деформации, в то время как нано- и микроразмерные трещины могут быть представлены в виде узловых точек, отправляющих те самые автомобили-дислокации.

Важные свойства металлов, такие как ковкость и прочность, зависят от нормальной функциональности узловых точек. К сожалению, они же, как магнит, притягивают к себе водород, который концентрируется вокруг узловых точек, блокируя все возможные пути для начала развития дислокаций. Именно это в конце концов приводит к распаду материала.

Проведённое компьютерное моделирование наглядно продемонстрировало то, как водородные атомы двигаются внутри металлов, и то, как они взаимодействуют с атомами. Результаты теоретических расчётов были совмещены с данными кинетического анализа, который позволил связать наноразмерные детали с макроскопическими экспериментальными условиями.

Полученная в итоге модель испытывалась для прогнозирования порогового значения появления водородной хрупкости в семействе ферритических железных сталей. И вот счастливый итог: теоретически предсказанные показатели идеально совпали с практическими наблюдениями.

Таким образом,

исследование предоставляет необходимые теоретические инструменты для интерпретации данных эксперимента и позволяет разрабатывать новое поколение устойчивых конструкционных материалов.