[論文レビュー] Hydrogen clustering in bcc metals: atomic origin and strong stress anisotropy

Jie Hou, Xiang-Shan Kong+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2020

Nuclear Materials and Properties参考文献 70被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、W、Fe、Mo、Crなどの体心立方（bcc）金属における水素クラスタリングが、特に<001>結晶学的方向に沿った引張応力成分によって強く駆動されることを明らかにした。第一原理および原子論的シミュレーションを用いて、著者らは<001>エッジ転送がこの引張成分を最大化し、低水素濃度下でも熱力学的に有利なナノ水素化物の形成を可能にすることを示した。その結果、板状の水素化物形態が<001>引張方向に整列することで、<001>引張成分を最大限に活用する形で形成された。

ABSTRACT

Hydrogen (H) induced damage in metals has been a long-standing woe for many industrial applications. One form of such damage is linked to H clustering, for which the atomic origin remains contended, particularly for non-hydride forming metals. In this work, we systematically studied H clustering behavior in bcc metals represented by W, Fe, Mo, and Cr, combining first-principles calculations, atomistic and Monte Carlo simulations. H clustering has been shown to be energetically favorable, and can be strongly facilitated by anisotropic stress field, dominated by the tensile component along one of the &lt;001&gt; crystalline directions. We showed that the stress effect can be well predicted by the continuum model based on H formation volume tensor, and that H clustering is thermodynamically possible at edge dislocations, evidenced by nanohydride formation at rather low levels of H concentration. Moreover, anisotropy in the stress effect is well reflected in nanohydride morphology around dislocations, with nanohydride growth occurring in the form of thin platelet structures that maximize one &lt;001&gt; tension. In particular, the &lt;001&gt; type edge dislocation, with the &lt;001&gt; tensile component maximized, has been shown to be highly effective in facilitating H aggregation, thus expected to play an important role in H clustering in bcc metals, in close agreement with recent experimental observations. This work explicitly and quantitatively clarifies the anisotropic nature of stress effect on H energetics and H clustering behaviors, offering mechanistic insights critical towards understanding H-induced damages in metals.

研究の動機と目的

• 非水素化物形成性bcc金属における水素クラスタリングの原子的起源を解明すること。ここでのメカニズムはまだ議論の余地がある。
• 特に異方性成分を含む応力場が水素集積をどのように促進するかを調査すること。
• 特にエッジ転位を含む不純物欠陥上での水素クラスタリングの熱力学的妥当性を特定すること。
• 応力の異方性とbcc金属における観察されたナノ水素化物形態の関係を特定すること。
• 水素生成体積テンソルに基づく連続体モデルの予測能力を検証すること。

提案手法

• W、Fe、Mo、Crにおける水素生成エネルギーおよび生成体積テンソルを計算するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• さまざまな応力条件下での水素クラスタリング行動をモデル化するために、原子論的シミュレーションを実施した。
• 異なる応力異方性下での水素クラスタの熱力学的安定性を評価するために、モンテカルロシミュレーションを適用した。
• 水素生成体積テンソルに基づく連続体モデルを用いて、応力依存の水素エネルギーを予測した。
• <001>エッジ転位と水素の相互作用を分析し、応力場成分とクラスタリングに与える影響に焦点を当てた。
• シミュレートされた応力場と観察されたナノ水素化物形態（特に<001>引張方向に整列した板状構造）を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非水素化物形成性bcc金属における水素クラスタリングの原子スケールの起源は何か？
• RQ2 特に<001>方向に沿った異方性応力が、水素クラスタリングのエネルギーにどのように影響を与えるか？
• RQ3 生成体積テンソルに基づく連続体モデルを用いて、水素クラスタリングへの応力効果を定量的に予測できるか？
• RQ4 低水素濃度下でも、エッジ転位上での水素クラスタリングは熱力学的に有利か？
• RQ5 応力の異方性は、転位周囲のナノ水素化物の形態にどのように現れるか？

主な発見

• 水素クラスタリングはbcc金属においてエネルギー的に有利であり、特に<001>結晶学的方向に沿った引張応力によって強く促進される。
• <001>エッジ転位は<001>方向に最も高い引張成分を示し、水素集積の最も効果的なサイトである。
• 転位核上での応力駆動安定化のおかげで、低水素濃度下でもナノ水素化物の形成が熱力学的に可能である。
• 水素生成体積テンソルに基づく連続体モデルは、水素クラスタリングへの応力効果を良好に予測している。
• ナノ水素化物は<001>引張成分を最大限に活用するように、薄い板状に成長し、強い形態的異方性を示している。
• 本研究の結果は、最近の実験的観察（bcc金属における転位上での水素化物形成）と密接に一致している。