Ученые впервые в реальном времени увидели, как водород ослабляет нержавеющую сталь

Художественное представление эксперимента: 3D-визуализация микрозерна нержавеющей стали, показывающая эволюцию внутренних дефектов во времени (ранние — синие линии, поздние — красные линии). Авторы: Дэвид Янг, Феликс Хофман.

Исследователи из Оксфордского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории впервые в мире провели 3D-визуализацию в реальном времени того, как атомы водорода динамически изменяют внутреннюю структуру нержавеющей стали. Результаты показывают, что водород позволяет внутренним дефектам (дислокациям) двигаться способами, которые в обычных условиях невозможны, что может привести к неожиданному разрушению материала.

Это открытие предоставляет важнейшие данные для создания более безопасных и надежных водородных топливных систем — от самолетов и термоядерных реакторов до трубопроводов и резервуаров для хранения. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Ведущий исследователь доктор Дэвид Янг отметил:

Водород обладает огромным потенциалом в качестве чистого энергоносителя, но он печально известен тем, что делает материалы, с которыми контактирует, более хрупкими. Впервые мы непосредственно наблюдали, как водород изменяет поведение дефектов в нержавеющей стали в глубине металла в реальных условиях.

Используя метод когерентной дифракции рентгеновских лучей, ученые смогли наблюдать за атомарными событиями в реальном времени внутри твердого металла, не разрезая образец. В эксперименте использовался ультраяркий луч в Advanced Photon Source (США), который фокусировался на отдельном зерне нержавеющей стали диаметром около 700 нанометров.

Наблюдения в течение 12 часов выявили три ключевых изменения после введения водорода:

• Дислокации стали неожиданно подвижными и начали перемещаться и изменять форму даже без дополнительного внешнего напряжения.
• Наблюдалось неожиданное движение дефектов из плоскости («подъем»), что обычно невозможно при комнатной температуре.
• Поле деформации вокруг дислокации заметно уменьшилось по мере накопления водорода — явление, известное как водородное упругое экранирование.

Эти результаты помогают объяснить, почему водород может приводить к неожиданному разрушению металлов, поскольку он позволяет внутренним дефектам легче двигаться нестандартными способами.

Профессор Феликс Хофман добавил:

Это исследование стало возможным благодаря наличию чрезвычайно ярких и когерентных рентгеновских лучей в международных синхротронных источниках. Теперь мы планируем еще более сложные эксперименты для изучения того, как водород изменяет другие типы дефектов.

В исследовании также участвовали ученые из Аргоннской национальной лаборатории (США) и Университетского колледжа Лондона.

Больше информации: Direct Imaging of Hydrogen-Driven Dislocation and Strain Field Evolution in a Stainless Steel Grain, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202500221