[论文解读] Influence of Hydrogen on Dislocation Relaxation in BCC Iron: Atomistic Mechanisms and Implications

Sanjay Manda, Madhur Gupta+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2026

Microstructure and mechanical properties被引用 0

一句话总结

论文使用多尺度 MD–KMC 框架研究氢对 BCC 铁中位错松弛的影响，显示氢降低 kink 成核势垒但提高迁移势垒，捕捉 Snoek–Koster 峰，并揭示氢含量与内耗损失的线性关系。

ABSTRACT

In this study, the influence of pure dislocation and hydrogen-dislocation interactions on anelastic response or internal friction relaxation peaks in bcc-iron was investigated. These relaxations are primarily governed by thermally activated kink nucleation and kink migration events. An atomistic multiscale framework, coupling molecular dynamics (MD) and kinetic Monte Carlo (KMC) simulations, was developed to investigate the underlying atomistic mechanisms behind dislocation-relaxation peaks. MD simulations revealed that the presence of hydrogen atoms near the dislocation core facilitates the kink nucleation process by reducing the nucleation barrier while enhancing the barrier for dislocation migration. The KMC model captured Snoek-Koster peaks arising from the Cottrell atmosphere formed by hydrogen atoms and clusters around the dislocation core, providing insights into the atomistic mechanisms controlling these relaxations. Furthermore, the proposed computational scheme elucidated a unique linear relationship between hydrogen content and the internal friction loss factor, offering a methodology for hydrogen detection and quantification.

研究动机与目标

• 研究纯位错与氢-位错相互作用如何影响 BCC 铁中的粘弹性松弛（内耗）。
• 阐明在氢存在下通过 kink 成核与迁移的原子尺度机制，解释位错松弛。
• 开发将 MD 与动力学蒙特卡洛（KMC）结合的多尺度建模框架，以将原子过程与宏观松弛联系起来。
• 识别位错周围氢的特征（Cottrell 气氛）及其对松弛峰的影响。

提出的方法

• 开发将分子动力学（MD）与动力学蒙特卡洛（KMC）耦合的原子尺度多尺度框架。
• 使用 MD 表征位错核附近氢对 kink 成核与位错迁移势垒的影响。
• 构建 KMC 模型以捕捉由氢气氛与 Cottrell簇引起的松弛峰（Snoek–Koster）。
• 分析氢含量与内耗损失因子之间的关系。
• 提供将原子尺度氢含量链接到可测量的粘弹响应的方法学。

实验结果

研究问题

• RQ1 氢存在于位错核附近如何影响 BCC 铁中 kink 成核的势垒？
• RQ2 氢如何影响位错迁移势垒与整体位错运动性？
• RQ3 氢诱导的气氛与 Cottrell 簇在产生 Snoek–Koster 松弛峰中的作用是什么？
• RQ4 氢含量是否可以与内耗损失因子线性相关，从而实现氢的检测/定量？

主要发现

• 位错核附近的氢降低 kink 成核的势垒。
• 氢增加位错迁移的势垒，抑制位错的运动性。
• KMC 模型捕捉到来自位错核周围的氢气氛与 Cottrell 簇所产生的 Snoek–Koster 峰。
• 计算方案揭示氢含量与内耗损失因子之间的线性关系。
• 该研究提供了氢如何调制 BCC 铁粘弹响应的原子尺度洞见。