氢在宇宙中和在地球上都是无处不在的元素，氢原子作为最小最轻的原子极容易进入绝大部分材料并影响材料性能。对于金属和合金来说，氢能引起材料力学性能和腐蚀性能的劣化，比如说在较低的氢浓度下，氢能导致金属和合金的塑性下降，造成著名的氢脆和氢致滞后断裂；而在较高的氢浓度下，材料能发生不可逆的氢损伤，其常见的形式包括氢致鼓泡、钢中的白点腐蚀、高温氢蚀等。由氢脆和氢损伤导致的事故一直到今天还时有发生，因此如何预防此类事故一直是人们关心的重大问题之一。然而基础性的氢脆和氢损伤微观机理尚不清楚，使得在这方面建立有效的材料失效预防模型变得困难重重。
本研究针对亚微米尺度的氢-材料缺陷交互作用，利用先进的环境透射电子显微镜和高精度的纳米力学测试系统，以单晶金属铝为模型材料，在氢损伤方面原位观察了充氢过程中的以氢鼓泡为代表损伤形成过程；在氢脆方面，以定量单轴压缩纳米力学实验为主研究了氢对位错运动的影响，然后利用预制缺口的悬臂梁弯曲实验进一步研究了氢对开裂行为的影响。所观察到的现象及主要结论如下：
1，本研究原位观察到了金属表面扩散在氢鼓泡形成过程中的关键作用，并据此提出了氢鼓泡的新机制。新机制认为氢致鼓泡开始于氢在金属-氧化物界面的偏析所导致的界面结合强度被弱化，失去氧化膜限制的金属因此能发生疯狂的表面自扩散并由此导致表面形貌的乌尔夫重构，重构后的金属表面在氧化膜下形成众多的纳米孔洞，孔洞尺寸长大到一定值时表面氧化膜在氢压的作用下发生塑性变形生成表面鼓泡。我们进一步发现，氢鼓泡在样品表面的分布和表面扩散率一样，存在容易程度{111}＞{100}＞{110}的表面晶向相关性。新机制对于如何解释和预防氢致界面失效现象有着普遍的指导意义。
2，本研究观察到了氢对位错的钉扎效应。通过对力致退火过的铝柱样品进行循环压缩实验，我们发现原本在真空环境下进行完全可逆的弓出运动的单根位错，在氢气气氛中充氢之后继续进行一样的循环加载时全部停止了运动。切断氢气后，随着样品中氢浓度降低，位错在同等载荷作用下能以粘滑运动的形式逐步恢复往复运动。传统观点对氢柯垂尔气团如何影响位错运动仍然存在激烈争论，且多数人倾向于氢促进位错的运动，本研究利用严格的实验明确表明了氢在一定情况下也能有效阻碍位错运动，这些研究结果必将促使人们重新评价氢对位错运动的影响。
3，本研究发现了在裂尖原位形成的低角晶界对于氢致开裂的重要作用。在含氢气氛中，由于低角晶界对氢浓度的富集导致界面结合强度的降低，塑性变形和损伤积累能局部化到低角晶界上，裂纹更容易沿着低角晶界进行形核和扩展。鉴于宏观和微观裂纹扩展时在原位形成低角晶界是一个发生在裂尖的普遍现象，此项发现将对氢致开裂中争论颇多的脆性穿晶开裂机制具有重要的启示作用。