第一性原理研究合金元素对α-Fe中H原子溶解及扩散的影响

doi:10.11900/0412.1961.2024.00240

金属学报 DOI: 10.11900/0412.1961.2024.00240

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第一性原理研究合金元素对α-Fe中H原子溶解及扩散的影响

宝尔根¹,²,王建韬²,³,徐文静²,³,马会^2,3,陈星秋^2,3

1 东北大学材料科学与工程学院沈阳 110819

2 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心沈阳 110016

3 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳 110016

First-Principles Study on the Influence of Alloying Elements on the Dissolution and Diffusion of Hydrogen Atoms in α - Fe

BAO Ergen ^1,2, WANG Jiantao ^2,3, XU Wenjing ^2,3, MA Hui ^2,3, CHEN Xingqiu ^2,3

1 School of Materials Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

2 Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

3 School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Shenyang 110016, China

引用本文:

宝尔根王建韬徐文静马会陈星秋. 第一性原理研究合金元素对α-Fe中H原子溶解及扩散的影响[J]. 金属学报, 10.11900/0412.1961.2024.00240.

全文: PDF(2779 KB)

摘要: 氢脆会导致暴露在含H环境中的金属变脆并开裂，对能源、制造、运输和航空航天等行业构成严重风险。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了不同合金元素对H原子固溶于完整的及有空位缺陷的α-Fe基固溶体的影响，并根据晶体轨道Hamilton布居分析了H原子与合金元素、Fe原子的相互作用，还用CI-NEB方法计算了合金元素对H原子在α-Fe基固溶体中扩散的影响。结果表明：H原子都倾向于固溶在合金原子的第二、第三近邻四面体间隙，且固溶焓取决于H与最近邻的合金原子或Fe原子之间的键强；有空位缺陷时，H原子在合金化后Sc、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu的第一近邻空位处的固溶焓比在完整固溶体的四面体间隙位的固溶焓低，而固溶Al、Si、Ti、Zr、Nb、Eu、W的效果则相反；Ti、Cu、Zr、Nb及稀土元素的固溶会增加H原子从合金原子的次近邻至第三近邻四面体间隙的扩散能垒，同时降低其反方向的能垒，而固溶Si、V、Cr、Mn、Co、Ni、Mo、W的效果则相反。

关键词 ：第一性原理, 氢脆, 钢, 稀土元素, 氢扩散

Abstract：Hydrogen embrittlement causes metals exposed to H-containing environments to become brittle and crack, posing a serious risk to industries such as energy, manufacturing, transportation, and aerospace. This study employs first-principles methods based on density functional theory to investigate the effects of different alloying elements on the solid solution of H atoms in α-Fe-based solid solutions and those with vacancy defects. The interactions between the H atom and alloying elements, as well as Fe atoms, are analyzed using the crystal orbital Hamilton populations. Additionally, the CI-NEB method is used to calculate the influence of alloying elements on the diffusion of H atoms in α-Fe-based solid solutions. The results indicate that H atoms tend to dissolve in the second and third nearest tetrahedral interstitial sites of alloy atoms, with the solid solution enthalpy of H depending on the bond strength between the H atom and the nearest alloy atom as well as the Fe atoms. In the presence of vacancy defects after alloying, the solid solution enthalpies of H atoms at the first nearest vacancy of Sc, V, Cr, Mn, Co, Ni, and Cu are lower than those at the tetrahedral interstitial sites of the complete α-Fe-based solid solutions, whereas the effects are opposite for α-Fe-based solid solutions containing Al, Si, Ti, Zr, Nb, Eu, and W. Furthermore, the solid solution of Ti, Cu, Zr, Nb, and rare earth elements increases the diffusion energy barriers of H atoms from the second nearest tetrahedral interstitial site to the third nearest tetrahedral interstitial site while reducing their diffusion energy barriers in the opposite direction. Conversely, the effects are opposite for α-Fe-based solid solutions containing Si, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mo, and W.

Key words： first-principles calculations hydrogen embrittlement steel rare earth elements hydrogen diffusion

收稿日期: 2024-07-17

ZTFLH:

TG131

基金资助:国家科技重大专项项目;辽宁省自然科学基金项目

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