[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究揭示，在钨（W）、铁（Fe）、钼（Mo）和铬（Cr）等体心立方（bcc）金属中，氢团簇的形成强烈受沿<001>晶向的各向异性拉应力场驱动。通过第一性原理和原子尺度模拟，作者证明<001>棱位错能最大化该拉应力分量，从而在低氢浓度下实现热力学上有利的纳米氢化物形成，且片状氢化物形貌与<001>拉伸方向对齐，以最大化<001>拉应力分量。

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.

研究动机与目标

• 解决非氢化物形成性体心立方金属中氢团簇的原子起源问题，该机制至今仍存在争议。
• 研究应力场——特别是各向异性分量——在促进氢聚集中的作用。
• 确定在位错位置，尤其是棱位错处，氢团簇形成的热力学可行性。
• 将应力各向异性与体心立方金属中观察到的纳米氢化物形貌相关联。
• 验证基于氢形成体积张量的连续体模型在描述团簇行为方面的预测能力。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以获得钨（W）、铁（Fe）、钼（Mo）和铬（Cr）中氢的形成能及形成体积张量。
• 开展原子尺度模拟，以在不同应力条件下建模氢团簇行为。
• 应用蒙特卡罗模拟，评估在不同应力各向异性条件下氢团簇的热力学稳定性。
• 基于氢形成体积张量构建连续体模型，以预测应力依赖的氢能量行为。
• 分析氢与<001>棱位错之间的相互作用，重点关注应力场分量及其对团簇形成的影响。
• 将模拟得到的应力场与观察到的纳米氢化物形貌相关联，特别是与<001>拉伸方向对齐的片状结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 非氢化物形成性体心立方金属中氢团簇的原子尺度起源是什么？
• RQ2 沿<001>方向的各向异性应力，特别是其对氢团簇能量的影响如何？
• RQ3 能否基于形成体积张量的连续体模型，定量预测应力对氢团簇形成的影响？
• RQ4 在低氢浓度下，氢团簇在棱位错处是否具有热力学有利性？
• RQ5 应力各向异性如何在位错周围的纳米氢化物形貌中体现？

主要发现

• 氢团簇在体心立方金属中具有能量优势，且强烈受沿<001>晶向的拉应力促进。
• <001>棱位错在<001>方向上表现出最高的拉应力分量，因此是氢聚集最有效的位点。
• 由于位错核心处应力驱动的稳定作用，低氢浓度下纳米氢化物的形成在热力学上是可行的。
• 基于氢形成体积张量的连续体模型能良好预测应力对氢团簇形成的影响。
• 纳米氢化物以薄片状结构生长，其取向最大化<001>拉应力分量，体现出强烈的形貌各向异性。
• 研究结果与近期关于体心立方金属中位错处氢化物形成的实验观测高度一致。