Mo 对 14.9 级高强度螺栓钢表面析氢及氢渗透行为的影响
Mo 对 14.9 级高强度螺栓钢表面析氢及氢渗透行为的影响
为满足轻量化汽车的需求，亟需研发 14.9 级高强度螺栓钢。然而，高强度钢材在当今工业中面临严峻的氢脆性挑战。合金元素的含量直接影响氢的扩散行为，而氢的渗入是引发氢脆性的起始环节，最终决定了其抗氢脆能力。钼 (Mo) 因能在钢材中形成强有力的氢陷阱而被视为提高抗氢脆性能的重要合金元素。然而，以往的研究主要集中在 Mo 对氢脆的影响，而对 Mo 对钢表面析氢反应及氢渗透行为研究较少。
来自北京科技大学新材料技术研究院的熊希临博士及其团队在 Materials 期刊发表了文章 (Effect of Mo Content on Hydrogen Evolution Reaction of 1400 MPa-Grade High-Strength Bolt Steel)，以 0.70% 和 1.09% Mo 含量的 14.9 级高强度螺栓钢为对象，通过电化学氢渗透实验和 IPZ 模型，深入探究了 Mo 含量对 14.9 级高强度螺栓钢的析氢反应 (Hydrogen Evolution Reaction, HER) 和氢扩散行为的影响机制。同时运用密度泛函理论 (Density Functional Theory, DFT) 模拟和热解吸光谱特性验证了研究结果的可靠性，旨在为开发符合轻量化汽车需求的高强度螺栓钢提供新的理论支持。
研究过程与结果
研究人员利用不同厚度和不同 Mo 含量的样品结合氢渗透实验和 IPZ 模型进行了分析。由图 1 可以发现 Mo 含量增加，明显降低氢扩散系数及增加表面覆盖率。对析氢动力学参数表征发现，Mo 含量的增加显著增强了氢吸附及吸着反应，同时略微增加了氢脱附和氢复合反应，这意味着 Mo 含量的增加促进氢进入材料内部。通过升温热脱附实验也证明这一结论。
图 1. (a, b)：0.70% 和 1.09% Mo 含量的 14.9 级高强度螺栓钢氢渗透实验，(c)表面氢覆盖率，(d)Mo 含量增加对表面析氢反应动力学参数的影响
基于第一性原理模拟，为了探究 Mo 原子吸附氢的机制，研究人员分别计算了不同浓度的 Fe 和 Mo 掺杂 (100) 表面氢的双桥吸附位点的电荷密度图，如图 2 所示。比较图 2 中 (a) 和 (b) 的电子结构，可以发现 Mo 的掺杂增加了表面的电荷密度，因此 Mo-H 的连接比 Fe-H 更强。同时，Mo 的掺杂也降低了 Fe 对 H 的吸附。随着 Mo 掺杂浓度的增加，两个 Mo 掺杂后 Mo-H 之间的电荷密度略低于一个 Mo 掺杂，但仍然强于纯 Fe 系统。特别是，Mo-H-Mo 的电荷密度比纯 Fe 和 Mo 掺杂系统都要强。此外，Mo-Fe 之间的电荷密度也强于 Fe-Fe，Mo 的掺杂增加了表面和亚表面的电荷密度。这些结果揭示了：在电子结构层面，Mo 具有吸附氢的能力较 Fe 更强，同时 Mo 的掺杂能够增强表面附近的键合能力。
图 2.(100) 表面的 H 吸附电荷密度图：(a)H 吸附在纯 Fe (100) 表面上；(b)H 在钼掺杂表面上的吸附；(c)H 吸附在两个 Mo 掺杂表面上
研究总结
本文系统地研究了 Mo 含量对 14.9 级高强度螺栓钢的氢扩散和析氢反应的影响，并发现 Mo 含量增加，明显降低氢扩散系数及增加表面覆盖率，并且显著增强了氢吸附及吸着反应，同时略微增加了氢脱附和氢复合反应，这意味着 Mo 含量的增加促进氢进入材料内部。这些发现为开发满足轻量化汽车需求的高强度螺栓钢提供了重要的理论支持。
原文出自 Materials 期刊
Xiong, X.; Song, K.; Li, J.; Su, Y. Effect of Mo Content on Hydrogen Evolution Reaction of 1400 MPa-Grade High-Strength Bolt Steel. Materials2023, 16, 1020. 10.3390/ma16031020
主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada
主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料，能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征，建模等。
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