Synergistic hydrogen embrittlement in high-strength steels

氢脆 脆化 材料科学 冶金 环境应力断裂 化学 腐蚀 有机化学
作者
Zhi Li,Yiran Lu,Huajian Gao,Sharvan Kumar
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:122 (24)
标识
DOI:10.1073/pnas.2501850122
摘要

Hydrogen embrittlement (HE) remains a critical scientific challenge in building reliable infrastructure for a carbon-free hydrogen economy. Predictive models for hydrogen-induced material failure are still lacking, largely due to an incomplete understanding of hydrogen’s effects on deformation behavior, especially in multiphase alloys with complex compositions and microstructures. Here, we demonstrate a synergistic hydrogen embrittlement (SHE) phenomenon in high-strength martensitic steels, where hydrogen interacts with carbon in solution to activate hydrogen-enhanced localized plasticity (HELP). Microcantilever bending tests revealed greater hydrogen susceptibility with higher carbon content, evidenced by a significant reduction in work-hardening capacity, promoting slip localization and reduced ductility. First-principles calculations and theoretical modeling revealed that carbon intensifies hydrogen–dislocation interactions and amplifies hydrogen redistribution around screw dislocations, inhibiting cross-slip. This work integrates experimental and modeling approaches to elucidate the synergistic interactions between hydrogen and solute elements, providing critical insights for designing high-strength, hydrogen-tolerant structural materials.
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