【研究室总体介绍】
环境断裂研究室是我国最早开展金属材料应力腐蚀的研究单位，主要开展材料在不同服役环境中断裂的宏观规律和微观机理研究。上世纪80年代，在我国著名冶金材料学家肖纪美先生的领导下开展了飞机起落架的应力腐蚀研究，自此，在我国开创了应力腐蚀和氢脆研究的先河。实验室经过近40年的发展，已经成为国际上环境断裂研究领域具有重要影响的研究团队，壮大成为环境断裂教育部重点实验室。
环境断裂教育部重点实验室的前身是1986年经原冶金部批准成立的环境断裂开放实验室，1990年成为第一批教育部开放实验室，先后由肖纪美院士和褚武扬教授任主任。1999年成为第一批教育部重点实验室，乔利杰教授任主任。1990年通过国家科委组织的第一届国家重点实验室和部门开放实验室的评估，1993年、1997年通过国家科技部评估，2002年、2007年、2012年通过教育部评估。2005年获教育部“创新团队”计划资助。
环境断裂研究室立足于结构材料和功能材料的断裂机理，以及抗环境断裂材料和先进功能材料的研发，主要研究方向有：
（1）金属材料的断裂和环境断裂；
（2）功能材料的研发及多场耦合效应；
（3）纳米材料力学及环境效应；
（4）基于材料基因组工程的耐腐蚀/抗环境断裂材料研发。
研究室现有固定科研人员4名，其中教授、博士生导师3名，讲师1名。环境断裂研究室近四十年来培养了包括中国科学院院士张统一教授在内的一大批高素质的博士和硕士研究生，他们工作在国内外知名高校和研究所，以及宝钢、中石化和中石油等国内大型企业，为环境断裂的发展做出了重要贡献。
研究室曾获国家自然科学奖二等奖1项，省部级科技进步奖一等奖4项、二等奖6项，发表SCI学术论文500余篇，出版学术专著20余部。
【研究室成员介绍】
宿彦京 研究员 博士生导师
黄海友 研究员 博士生导师
高 磊 研究员 博士生导师
熊希临 助理研究员 硕士生导师
【研究室主要研究内容及科研成果】
1、金属材料的断裂和环境断裂
（1）金属材料的氢脆和应力腐蚀
金属材料的环境断裂（氢脆、应力腐蚀和腐蚀疲劳）是导致重大工程失效，造成恶性事故的重要原因。本研究室近四十年来致力于金属材料的氢脆和应力腐蚀研究，在该领域发表SCI论文400余篇，出版了包括《氢脆和应力腐蚀——基础部分》、《氢脆和应力腐蚀——典型体系》、《断裂与环境断裂》、《氢损伤与滞后断裂》、《应力作用下的金属腐蚀》和《应力腐蚀机理》等多部专著。获得至今为止国内腐蚀领域唯一的一项自然科学二等奖，以及省部级科技进步一、二等奖多项。在国内外环境断裂领域具有重要的影响，享有很高地位。
（2）金属材料断裂和环境断裂微观机理研究
利用透射电镜（TEM）原位拉伸实验研究了韧性金属（Al、Cu和不锈钢等）和脆性金属（TiAl和Ni3Al金属间化合物）断裂的微观过程，在国际上首次发现微裂纹会在裂纹尖端或无位错区（DFZ）中形核扩展；发现无论是韧性金属还是脆性金属（金属间化合物）在裂纹扩展前均发射位错，对国际上公认的裂纹发射位错与否是区分韧性和时脆性材料的判据提出了挑战。
利用自制的加载台研究了环境断裂的微观过程，发现在环境断裂过程中，无论是腐蚀介质、充氢还是液态金属吸附均会导致位错的发射、增值和运动，当位错的发射、增值和运动达到临界状态时就会导致微裂纹的形核和扩展。
该研究成果在Acta Mater., Script Mater.和《中国科学》等发表论文50余篇，获教育部科技进步一等奖一项，北京市科技进步二等奖一项。
（3）腐蚀产物膜与应力腐蚀相关性研究
应力腐蚀过程中会在裂尖或试样表面形成腐蚀产物膜，腐蚀产物膜在生长过程中会在金属基体中产生一个拉应力（定义为膜致应力），对大量的应力腐蚀体系的研究表明，应力腐蚀敏感性与膜致应力相关，即膜致应力越大，应力腐蚀敏感性越高，当膜致应力为零或压应力时，则不产生应力腐蚀。
分子动力学和有限元模拟表明，膜致应力的最大值处于腐蚀膜和金属基体的界面，膜致应力与外加载荷叠加导致应力腐蚀裂纹前端发射位错，当发射位错达到临界状态时导致应力腐蚀裂纹的形核和扩展。该研究成果在Corros. Sci和Corrosion等杂志发表论文20余篇，获教育部科技进步二等奖一项。
（4）延迟开裂评价——氢脆性能研究
钢的强度越高，氢致开裂敏感性越高。抗拉强度大于1000MPa的超高强钢发生氢致开裂的可能性明显增大。通常，超高强钢开裂以延迟开裂方式为主。多年来由于没有统一的评价方法，国内外各个研究机构和公司均采用自己的评价方法，导致每种材料试验数据缺乏可靠的互比性。这也成为了耐延迟开裂汽车用超高强钢最终面向市场化的最大障碍。因此研究科学的、准确的、高效的氢致延迟开裂敏感性评价方法具有重要的现实意义。
本实验室对几种980MPa级的超高强汽车钢板以及更高强度级别的1180MPa和1300MPa钢板，利用恒载荷、U弯浸泡和慢应变塑速率拉伸等实验方法，结合测氢技术，研究了超高强度汽车钢板氢致延迟开裂敏感性。结果发现，有的U弯试样在脊背处发生点蚀，直至出现蚀孔也不发生断裂；而有的钢板，在尚未发生点蚀的情况下就会发生氢脆而断裂。恒载荷结果表明，几种超高强汽车板都能够发生氢致滞后开裂，滞后开裂门槛应力均随氢浓度对数线性下降。具体到每一种材料，关系式不同。虽然恒载荷方法速度慢，试验周期长，但可以定量求出材料的氢脆敏感性大小，并确定产生氢致滞后开裂的临界氢浓度，同时又能保证获得的门槛值最低，给出的安全区域偏于保守。因此，对于已经确定选用的材料或工艺，用这种方法给出的临界数据最可靠。
本实验室建议的评价方法，根据不同材料、工况、环境条件而定，目前已为国内某著名的大型汽车板制造商接受并采用。
（5）汽车用高强高塑性中锰钢延迟开裂机理研究
随着汽车产业的发展，能源消耗和环境污染问题日益显著。车身轻量化是主要的节能减排方案之一，它要求钢材具有较高的强度，同时又要有高的塑性和韧性（为了防撞、安全等），以及高撞击能量吸收能力。因此，高强度、高塑性、低成本和易加工等成为新型汽车用钢的发展方向。锰含量为5-10%的中锰钢的性能、成本和易加工性方面都介于Q&P钢（淬火配分钢）和高锰钢之间，从而有可能成为第三代汽车用高强钢。宝钢、钢铁研究总院和太原钢铁等都从事了中锰钢轧板（冷轧板和热轧板）的研发。2015年，宝钢在国际上率先工业化生产了第一卷中锰钢轧板，有望在车身结构件中得到应用。但是，大量的工程应用和试验表明，随着材料强度的提高，塑性明显下降，材料延迟开裂敏感性也随之急剧升高。强度-塑性/抗延迟开裂能力（耐氢脆）的这种“倒置关系”已经成为制约高强度钢发展和应用的瓶颈。以往测量应力腐蚀和氢脆敏感性均是在液体环境，有时还会使用较大浓度的充氢方法。在实际服役环境中，虽然可渗透氢的总量较低，但是中锰钢冲杯实验还是表现出延迟开裂的现象。中锰钢通过调制成分和热处理工艺，虽然其抗拉强度可达1100MPa以上，从强度角度来说处于对氢致延迟开裂较为敏感的范围，但其超高延伸率（可以超过40%）和超细晶粒（~1mm）的特点是否可以克服这种“倒置关系”是值得研究的。这不仅对研发高强抗氢钢具有重要的理论指导意义，对中锰钢实际应用的安全性评价也是十分重要的实际应用价值。
2. 功能材料的研发及其多场耦合效应
（1）多场耦合作用下铁电材料的环境断裂机理研究
铁电材料以其优异的机电、热电耦合效应在微电子、微机械、智能控制、机电等行业中得到广泛的应用，相关领域的高可靠性要求极大地推动了铁电材料失效机理的研究。由于力电耦合效应重要的科学意义和工业界对高可靠性器件的迫切需求，铁电材料的电致失效和力电耦合失效研究自上世纪90年代起迅速发展为固体力学和材料科学的前沿领域之一。
本研究室首次将化学环境损伤引入铁电陶瓷的失效研究，提出化学环境场是导致铁电材料失效的重要因素之一，开创了铁电材料的化学环境-应力-电场多场耦合失效研究的新领域，丰富和完善了铁电材料失效的研究体系和科学内涵。
该研究以材料学为基础，涉及材料学、力学、化学和物理学等多学科交叉，综合利用原子力显微镜、扫描探针显微镜和断裂力学实验技术，结合第一原理计算和相场模拟等研究手段，系统研究了铁电材料在化学环境-应力-电场多场耦合条件下的断裂失效规律和机理；铁电畴转与裂纹滞后扩展受化学吸附的影响规律和机制；氢对铁电性能、介电性能和断裂行为的影响规律和物理机制。研究成果揭示了多场耦合作用下铁电材料的失效规律，建立了化学环境导致铁电材料滞后断裂与化学吸附和铁电畴转关系的物理模型；通过第一性原理计算给出了氢导致铁电材料半导化和抑制铁电相变的物理本质；首次观测到反平行电场作用下180o畴转由两步90o畴转构成，为澄清学术界对铁电畴转的长期争议提供了有力的实验证据。
研究成果得到国内外专家的一致好评：2002年教育部重点实验室评估中，专家组一致认为本研究开拓了铁电材料多场耦合滞后断裂的新领域。研究工作受到同行的广泛重视，文章发表与J. Phys. Chem. C、Appl. Phys. Lett.、Phys. Rev. B、J. Am. Ceram. Soc.等领域权威期刊，收到主编及评审人的高度评价。在Theor. Appl. Fract. Mec.上关于铁电陶瓷断裂的综述性文章中被大段引用，认为是近年来铁电陶瓷失效研究领域的重要进展。
（2）多场耦合下铁磁合金的相变与断裂研究
形状记忆合金、超磁致伸缩材料等铁磁合金重要的智能功能材料，可广泛应用于电器、建筑、能源、汽车、医疗、仪器仪表、自动控制、航空航天、生物工程、机器人和日常生活各个领域。它们在使用过程中面临四个服役条件：应力、温度、磁场和化学环境（潮湿空气和氢等）。在复杂服役条件下，合金的相变与断裂行为对其服役可靠性及寿命具有重要影响，本研究室以Ni50Mn30Ga20等典型材料为例，系统研究了多场耦合条件对材料相变与断裂特性的影响。
我们的研究首次直接观察“磁蠕变”的孪晶界滞后移动与引起的材料滞后断裂，发现了不同成因马氏体孪晶界的力性差异，揭示合金脆性来源与裂纹形核的界面优先级，获得取向多晶的应力腐蚀与氢脆现象并揭示其机理，发现奥氏体-马氏体可移动相界面的机制并预测其在微型甚至纳米器件上具备巨大的潜在应用价值。
3. 纳米材料力学及环境效应
（1）纳米材料力学性能的微/纳米桥实验研究
与香港科技大学张统一院士合作提出并发展了微/纳薄膜力学性能的微/纳桥测试理论和方法，形成了完备的单/双层膜力学性能测试方法和理论体系。该方法能够同时测量薄膜的残余应力、杨氏模量、弯曲强度和薄膜的塑性行为，以及材料的内禀尺度参数，被普遍应用于纳米材料力学性能的测量，成为目前国际上广泛使用的纳米材料力学性能测试方法。
（2）多孔纳米金材料的力电耦合效应研究
纳米多孔金材料具有表面积大、高密度原子级台阶、良好的导电性能，以及表面等离子体效应和高的杨氏模量高等特点广泛应用与催化、电极材料，以及分子检测和驱动器件等，在微纳器件和传感器中具有广泛的应用。在国家自然基金委/香港RGC联合基金的资助下开展了纳米多孔金的力/电/化学多产耦合效应的规律和机理研究。
（3）二维材料摩擦行为的第一性原理计算
微纳电子机械系统由于尺度效应，大量的原子处于系统部件的表面和界面处，从而使微纳电子机械系统的应用受限于表面力的影响，如：粘附力和摩擦力等。因此，在微纳尺度减小、调控摩擦力，对于微纳电子机械系统的实际应用具有重要意义。
目前研究表明，二维材料具有成为微纳尺度固体润滑材料的潜能。通过第一性原理计算，可以从原子尺度揭示微纳电子机械系统表面摩擦力的起源。研究周围化学环境和基底材料对二维材料表面摩擦行为的影响机制，从而设计出微纳尺度下具有鲁棒性和可调控性的固体润滑材料。该项研究在国家自然基金委员会的资助下开展。研究表明，基底材料不仅可以影响二维材料的几何形貌，还能够影响二维材料表面的化学活性。
4. 基于材料基因组工程的耐腐蚀/抗环境断裂材料的研发
新材料研发及其市场化进程长期受制于过程低效、复杂、高成本和长周期，长期制约着材料的研究和应用，已经不能满足现代社会和经济的需求。为了大大缩短新材料开发周期，世界各主要国家均在探索如何将材料计算、实验、数据等手段有机融合，有效缩短关键新材料研发与验证所需时间，促进材料原始性创新，大力促进材料产业的技术跨越以增强其全球竞争力。2011年6月美国政府提出“材料基因组计划”，其中打造融计算－实验－数据为一体的新材料创新平台以加速材料研发是其核心内容，主要包括高通量材料计算、高通量材料制备与表征和材料数据库三大核心技术。其核心理念是运用虚拟筛选大幅度降低候选试验样品的数量，达到大幅度提高材料研发效率的目的。
在国家“863”计划的资助下开展超高强抗氢脆合金的研发，通过第一性原理计算、分子动力学模拟和有限元模拟等研究氢在晶界偏聚、晶界弱化的规律和机理，探寻增强晶界强度和抑制氢在晶界偏聚的元素；通过第一性原理计算探寻作为深氢陷阱的新型化合物，从而设计出具有高抗氢脆性能的超高强合金。
【研究室承担科研项目】
1、国家重点研发项目：材料基因工程专用数据库和材料大数据技术；
2、“973”课题：多重动态海洋环境因素作用下材料腐蚀损伤的机理与规律；
3、“973”课题：基于纳米材料及结构力学新理论的表征方法和测量原理；
4、“973”课题：高速弓网载流滑动失效机制与材料设计；
5、“973”课题：高速轮轨滚动失效机制及优化匹配；
6、“973”课题：辐照损伤的计算机模拟；
7、“863”项目：基于材料基因工程的高通量设计、制备与表征技术；
8、“863”项目：先进燃料元件包壳材料和外套管材料的辐照考验研究；
9、“863”项目：氢测量传感器研究；
10、“863”项目：海洋环境下高性能不锈钢钢筋产品开发与耐蚀性能评价研究；
11、科技支撑项目课题：海洋钢结构腐蚀安全性评价和寿命预测技术；
12、教育部创新团队项目：铁性功能材料失效规律与机理；
13、国家自然科学基金委重点项目：高温高压核电水环境材料腐蚀的痕量效应及防护机理研究；
14、国家自然科学基金委重点项目：环境和力、电耦合导致铁电材料畴变和开裂的规律和机理；
15、国家自然科学基金委重点项目：应力腐蚀的多层次跨尺度研究；
16、国家自然科学基金委面上项目：深海等静压对应力腐蚀的影响规律与机理研究；
17、国家自然科学基金委面上项目：准同型相界铁电材料电卡效应影响规律与机理研究；
18、国家自然科学基金委面上项目：磁场、环境耦合作用下Fe-Ga合金应力腐蚀的规律及机理；
19、国家自然科学基金委面上项目：金属生物膜的形成机理及其润滑和耐磨蚀的研究；
20、国家自然科学基金委面上项目：多场耦合条件下铁电多层膜电卡效应的动力学研究；
21、国家自然科学基金委面上项目：纳米多孔金属的力-电-化学介质多场偶耦合效应研究；
22、国家自然科学基金委面上项目：裂纹在沿晶氧化膜内形核的应力腐蚀新机理；
23、国家自然科学基金委面上项目：逆变奥氏体对马氏体时效钢氢致开裂性能的影响；
24、国家自然科学基金委面上项目：应力腐蚀与腐蚀产物膜力学行为的相关性研究；
25、国家自然科学基金委面上项目：氢和阳极过程共同控制的应力腐蚀研究；
26、国家自然科学基金委面上项目：外场调节铁电铁磁复合左手材料电磁特性的研究；
27、国家自然科学基金委面上项目：纯净高强钢厚板中的氢扩散与氢脆机理；
28、国家自然科学基金委面上项目：奥氏体不锈钢氢致滞后开裂机理研究；
29、国家自然科学基金委面上项目：氢调控铁电陶瓷性能规律及机理研究；
30、国家自然科学基金委面上项目：氢促进阳极溶解型应力腐蚀的机理；
31、国家自然科学基金委面上项目：力电耦合下环境导致畴变和裂纹扩展的原位研究;
32、国家自然科学基金委面上项目：铁电陶瓷滞后开裂机理研究;
33、国家自然科学基金委面上项目：连铸纯净钢“白点”敏感性升高的规律与机理;
34、国家自然科学基金委面上项目：高密度封装器件机械失效与异质界面改性的基础研究;
35、国家自然科学基金委面上项目：半导体带状纳米氧化物的力学性能研究;
36、国家自然科学基金委面上项目：块状非晶断裂与环境的微观研究;
37、国家自然科学基金委面上项目：钝化膜强度、结合力与应力腐蚀感敏性的关系;
38、国家自然科学基金委面上项目：铁电陶瓷在电场、力和化学环境下的失效行为研究;
39、国家自然科学基金委面上项目：腐蚀过程引起的内应力在腐蚀中的作用;
40、国家自然科学基金委面上项目：加载裂尖原子组态连续变化的原位研究;
41、国家自然科学基金委面上项目：氢促进腐蚀及应力腐蚀的半导体膜模型;
42、国家自然科学基金委面上项目：环境断裂的微观规律及机理研究;
43、国家自然科学基金委面上项目：金属吸附促进局部塑性变形导致脆断的的实验和理论研究;
44、国家自然科学基金委面上项目：氢和应力对黄铜和铜单晶阳极溶解的协同作用;
45、国家自然科学基金委面上项目：Ti3Al、TiAl金属间化合物在水和甲醇中的应力腐蚀研究;
46、国家自然科学基金委联合基金：汽车用高强高韧中锰钢延迟断裂机理研究；
47、国家自然科学基金委青年项目：基底影响二维材料表面摩擦行为的机制研究；
48、国际（地区）合作项目：铁电陶瓷在电场、力和化学环境下的失效行为研究；
49、厂协项目：海洋链应力腐蚀性能测试及服役安全性评估；
50、厂协项目：热轧超高强钢氢致延迟断裂性能研究；
51、厂协项目：煤制天然气中氢气对长输管道腐蚀性的研究开发；
52、厂协项目：车轮钢氢行为及断裂机理研究；
53、厂协项目：组织对轮毂钢氢致开裂的影响及轮毂安全性评估；
54、厂协项目：马氏体时效钢氢脆安全性评估；
55、厂协项目：ERW焊管沟槽腐蚀评价技术；
56、厂协项目：超高强钢氢致延迟开裂试验方法研究；
57、厂协项目：受电弓上臂裂纹故障分析；
58、厂协项目：汽车尾气催化剂失活或活性下降机理研究；
59、厂协项目：堇青石与钛酸铝蜂窝陶瓷载体的研发；
60、厂协项目：天宫二号热交换器管路服役寿命研究；
61、厂协项目：规整填料在减压条件下的腐蚀机理及失效预防。