[논문 리뷰] Hydrogen clustering in bcc metals: atomic origin and strong stress anisotropy

Jie Hou, Xiang-Shan Kong외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 14.

Nuclear Materials and Properties참고 문헌 70인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 체심입방격자(bcc) 금속인 W, Fe, Mo, Cr에서 수소 클러스터링이 <001> 결정학적 방향의 인장 응력에 의해 강하게 유도됨을 밝혀냈다. 일련의 밀도함수이론(DFT) 및 원자모형 시뮬레이션을 통해 저농도 수소 조건에서도 열역학적으로 유리한 나노수소화물 형성이 가능하며, <001> 방향의 인장 성분을 최대화하는 <001> 에지 불순도가 이 과정을 촉진함을 입증하였다. 수소화물의 판상형 형태는 <001> 인장 성분을 극대화하기 위해 정렬되어 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비수소화물 형성 bcc 금속에서 수소 클러스터링의 원자적 기원을 규명하고자 한다. 이 기전은 여전히 논란의 여지가 있다.
• 특히 이방성 성분을 포함한 응력장이 수소 집합을 어떻게 촉진하는지 조사하고자 한다.
• 특히 에지 불순도와 같은 불순도 위치에서 수소 클러스터링의 열역학적 가능성 여부를 규명하고자 한다.
• 응력 이방성과 bcc 금속에서 관찰된 나노수소화물 형태 간의 상관관계를 규명하고자 한다.
• 수소 생성 부피 텐서를 기반으로 한 연속체 모델의 예측 능력을 검증하고자 한다.

제안 방법

• W, Fe, Mo, Cr에서 수소 생성 에너지와 생성 부피 텐서를 계산하기 위해 일련의 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 다양한 응력 조건 하에서 수소 클러스터링 거동을 모델링하기 위해 원자모형 시뮬레이션을 실시하였다.
• 다양한 응력 이방성 조건에서 수소 클러스터의 열역학적 안정성을 평가하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하였다.
• 수소 생성 부피 텐서를 기반으로 한 연속체 모델을 사용하여 응력에 따라 달라지는 수소 에너지학적 거동을 예측하였다.
• <001> 에지 불순도와 수소 간의 상호작용을 분석하였으며, 응력장 성분과 클러스터링에 미치는 영향을 중점적으로 다루었다.
• 모의된 응력장과 관찰된 나노수소화물 형태 간의 상관관계를 분석하였으며, 특히 <001> 인장 방향에 정렬된 판상 구조에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비수소화물 형성 bcc 금속에서 수소 클러스터링의 원자 척도 기원은 무엇인가?
• RQ2 특히 <001> 방향의 이방성 응력, 특히 인장 응력이 수소 클러스터링 에너지학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 생성 부피 텐서를 기반으로 한 연속체 모델을 사용하여 수소 클러스터링에 대한 응력 효과를 정량적으로 예측할 수 있는가?
• RQ4 저농도 수소 조건에서도 에지 불순도에서 수소 클러스터링이 열역학적으로 유리한가?
• RQ5 응력 이방성은 불순도 주변의 나노수소화물 형태에 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 수소 클러스터링은 bcc 금속에서 에너적으로 유리하며, 특히 <001> 결정학적 방향의 인장 응력에 의해 강하게 촉진된다.
• <001> 에지 불순도는 <001> 방향으로 가장 높은 인장 성분을 가지며, 수소 집합에 가장 효과적인 위치이다.
• 불순도 핵에서 응력 유도 안정화 덕분에 저농도 수소 조건에서도 나노수소화물 형성이 열역학적으로 가능하다.
• 수소 클러스터링에 대한 응력 효과는 수소 생성 부피 텐서를 기반으로 한 연속체 모델을 통해 잘 예측된다.
• 나노수소화물은 <001> 인장 성분을 극대화하기 위해 얇은 판상 형태로 성장하며, 강한 형태 이방성이 반영되어 있다.
• 이 연구 결과는 최근 bcc 금속에서 불순도 위치에서 수소화물 형성이 관찰된 실험 결과와 매우 밀접하게 일치한다.