近日，西南交通大学张旭教授团队在固体力学领域旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》发表题为 “Strain gradient plasticity-driven hydrogen transport and embrittlement in polycrystalline Ti-6Al-4V: A study coupling crystal plasticity and phase-field method” 的研究成果。论文第一作者为西南交通大学力学与航空航天学院博士生唐瑞林，西南交通大学张旭教授为通讯作者，合作者包括中国科学院力学研究所陈岑副研究员、上海交通大学安大勇副教授、西安交通大学郁汶山教授及西南交通大学阚前华教授。
图1 论文首页
氢脆会显著降低金属材料的延性和断裂抗力，是钛合金在能源、航空航天及交通等领域服役过程中面临的重要安全问题。氢在材料中的迁移与局部富集受到应力状态、塑性变形及位错演化等多种因素共同影响。现有连续体模型通常侧重于应力辅助扩散和局部位错陷阱，对位错输运以及应变梯度塑性对氢重新分布和裂纹演化的影响仍缺乏系统描述。为此，本研究建立了耦合非局部晶体塑性、氢扩散与陷阱以及相场断裂的多物理场模型，实现了位错密度演化、位错通量、氢输运与裂纹萌生扩展的统一描述。
图2 氢输运机理图
研究中将裂纹萌生前的氢输运分为初始扩散、强烈扩散和准稳定三个阶段。随着材料由弹性变形进入塑性变形，晶粒间应力差异和应变梯度不断增强，促进氢向晶界及高应力区域富集。模拟表明，变形过程中的氢重新分布主要受化学静水Mandel应力梯度驱动，而不仅仅取决于浓度梯度。
图3 裂纹萌生前氢浓度演化
进一步研究表明，几何必需位错（GND）主要控制晶界附近的氢富集，而统计存储位错（SSD）主要影响晶粒内部的氢捕获。应变梯度塑性通过促进 GND 累积并增强局部应力梯度，进一步提高晶界及裂纹尖端的氢浓度。充氢条件下，裂纹倾向于在晶界附近萌生并主要沿晶界扩展；相比之下，无氢条件下裂纹主要表现为穿晶扩展，揭示了氢与应变梯度塑性对裂纹扩展路径的协同作用。
图4 氢环境下裂纹扩展及氢富集演化
本研究揭示了应变梯度塑性—位错演化—氢输运—断裂之间的耦合机制，表明应变梯度塑性能够放大晶界和裂纹尖端的局部氢富集，而氢则促进裂纹由穿晶向沿晶扩展转变，为理解和预测 Ti-6Al-4V 合金的氢脆行为提供了新的晶粒尺度建模方法。
本研究得到了国家自然科学基金（12532004、12222209）、四川省科技计划项目（2024NSFCJQ0068、2025HJRC0006）、复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室开放课题（SV2025-KF-05）以及国家科技重大专项的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2026.106759
