[论文解读] The effect of Hydrogen atom on the Screw Dislocation Mobility in BCC Iron: A First-Principles Study

Mitsuhiro Itakura, Hideo Kaburaki+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2013

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一句话总结

本首理论研究探讨了体心立方（bcc）铁中氢对螺型位错迁移率的影响，揭示了双重效应：在低温下，氢通过降低扭折成核的焓变使位错软化；在高温下，氢通过扭结捕获导致硬化。预测在较低临界温度下发生软化与硬化的转变，与实验观测一致。

ABSTRACT

We investigate the effect of hydrogen on the mobility of a screw dislocation in body-centered cubic (bcc) iron using first-principles calculations, and show that an increase of screw dislocation velocity is expected for a limited temperature range. The interaction energy between a screw dislocation and hydrogen atoms is calculated for various hydrogen positions and dislocation configurations with careful estimations of the finite size effects, and the strongest binding energy of a hydrogen atom to the stable screw dislocation configuration is estimated to be $256\pm32$ meV. These results are incorporated into a line tension model of a curved dislocation line to elucidate the effect of hydrogen on the dislocation migration process. Both the softening and hardening effect of hydrogen, caused by the reduction of kink nucleation enthalpy and kink trapping, respectively, are evaluated. A clear transition between softening and hardening behavior at the lower critical temperature is predicted, which is in qualitative agreement with the experimental observation.

研究动机与目标

• 从原子尺度理解氢原子如何影响体心立方（bcc）铁中螺型位错的迁移率。
• 量化氢与各种螺型位错构型之间的相互作用能，同时考虑有限尺寸效应的影响。
• 确定在不同热力学条件下，氢是促进位错滑移（软化）还是阻碍其滑移（硬化）。
• 预测氢掺杂体心立方铁中软化与硬化行为随温度变化的转变行为。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，求解氢原子与体心立方铁中螺型位错之间的相互作用能。
• 系统评估氢原子相对于位错核心的不同位置，以识别最稳定的结合位点。
• 仔细估算有限尺寸效应，以确保最有利构型的结合能值准确可靠。
• 应用线张力模型模拟弯曲的位错线，从而分析氢存在下位错迁移的动力学行为。
• 计算扭结成核焓变与扭结捕获能，分别评估软化与硬化的机制。
• 基于热力学竞争，模型预测了主导效应从软化转向硬化的转变温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 体心立方铁中螺型位错最稳定构型下，氢原子的结合能是多少？
• RQ2 氢如何影响扭结成核焓变？其在位错软化中起什么作用？
• RQ3 氢导致扭结捕获的程度有多大？这如何贡献于位错硬化？
• RQ4 在氢掺杂的体心立方铁中，软化向硬化的转变发生在什么温度？
• RQ5 预测的温度依赖行为是否与实验观测一致？

主要发现

• 体心立方铁中氢原子与最稳定螺型位错构型之间的最强结合能估计为 $256 \pm 32$ meV。
• 氢降低了扭结成核焓变，导致软化效应，从而在较低温度下增强位错迁移率。
• 在较高温度下，氢引起扭结捕获，产生硬化效应，阻碍位错运动。
• 预测在较低临界温度下出现软化与硬化的明显转变，与实验趋势一致。
• 扭结形成能降低与捕获能增加的综合作用，解释了位错迁移率非单调的温度依赖性。