Водород в ОЦК-сплавах железа: ab initio моделирование

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Захват атомов водорода дефектами кристаллической решетки различных фаз железа является важным фактором при теоретическом описании механизмов водородного охрупчивания в сталях. Дан краткий обзор проведенных нами исследований взаимодействия водорода с точечными дефектами и границами раздела фаз в ОЦК-сплавах железа с помощью расчетов из первых принципов. Рассмотрен захват атомов водорода легирующими примесями, а также вакансиями (Va) и вакансионными комплексами VaHn, границами зерен (ГЗ) и межфазной границей феррит/цементит. Представлена иерархическая карта энергий захвата, связанных с распространенными дефектами кристаллической решетки, и идентифицированы наиболее привлекательные места захвата водорода. Рассмотрено влияние легирующих примесей V и Ti на взаимодействие Н с ОЦК-железом.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Мирзоев

Южно-Уральский государственный университет (НИУ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: mirzoevaa@susu.ru
Россия, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080

А. В. Верховых

Южно-Уральский государственный университет (НИУ)

Email: mirzoevaa@susu.ru
Россия, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080

Д. А. Мирзаев

Южно-Уральский государственный университет (НИУ)

Email: mirzoevaa@susu.ru
Россия, пр-т Ленина, 76, Челябинск, 454080

Список литературы

  1. Johnson W.H. On Some Remarkable Changes Produced in Iron and Steel by the Action of Hydrogen and Acids // Proc. R. Soc. London. 1874. V. 23. P. 168–179.
  2. Bouaziz O., Zurob H., Huang M. Driving force and logic of development of advanced high strength steels for automotive applications // Steel Research Intern. 2013. V. 84. № 10. P. 937–947.
  3. Depover T., Escobar D.P., Wallaert E., Zermout Z., Verbeken K. Effect of hydrogen charging on the mechanical properties of advanced high strength steels // Intern. J. Hydrogen Energy. 2014. V. 39. № 9. P. 4647–4656.
  4. Laureys A., Depraetere R., Cauwels M., Depover T., Hertelé S., Verbeken K. Use of existing steel pipeline infrastructure for gaseous hydrogen storage and transport: A review of factors affecting hydrogen induced degradation // J. Natural Gas Sci. Eng. 2022. V. 101. P. 104534.
  5. Drexler A., Depover T., Leitner S., Verbeken K., Ecker W. Microstructural based hydrogen diffusion and trapping models applied to Fe–CX alloys // J. Alloys Comp. 2020. V. 826. P. 154057.
  6. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов // М.: Металлургия, 1985. 216 с.
  7. Lynch S. Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms // Corrosion Rev. 2012. V. 30. № 3–4. P. 105–123.
  8. Nagumo M. Fundamentals of hydrogen embrittlement // Singapore: Springer, 2016. 239 p.
  9. Pundt A., Kirchheim R. Hydrogen in metals: microstructural aspects // Annu. Rev. Mater. Res. 2006. V. 36. P. 555–608.
  10. Robertson I.M., Sofronis P., Nagao A., Martin L., Wang S., Gross D.W., Nygren K.E. Hydrogen embrittlement understood // Metal. Mater. Trans. A. 2015. V. 46. P. 2323–2341.
  11. Li X., Ma X., Zhang J., Akiyama E., Wang Y., Song X. Review of hydrogen embrittlement in metals: hydrogen diffusion, hydrogen characterization, hydrogen embrittlement mechanism and prevention // Acta Metal. Sinica (English Letters). 2020. V. 33. P. 759–773.
  12. Beachem C.D. A new model for hydrogen-assisted cracking (hydrogen “embrittlement”) // Metal. Mat. Trans. B. 1972. V. 3. P. 441–455.
  13. Sofronis P., Robertson I.M. Transmission electron microscopy observations and micromechanical/continuum models for the effect of hydrogen on the mechanical behaviour of metals // Phil. Mag. A. 2002. V. 82. № 17–18. P. 3405–3413.
  14. Djukic M.B., Bakic G.M., Zeravcic V.S., Sedmak A., Rajicic B. The synergistic action and interplay of hydrogen embrittlement mechanisms in steels and iron: Localized plasticity and decohesion // Eng. Fracture Mechanics. 2019. V. 216. P. 106528.
  15. Zhong L., Wu R., Freeman A.J., Olson G.B. Charge transfer mechanism of hydrogen-induced intergranular embrittlement of iron // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. № 21. P. 13938.
  16. Tateyama Y., Ohno T. Stability and clusterization of hydrogen-vacancy complexes in α–Fe: an ab initio study // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. № 17. P. 174105.
  17. Ma Y., Shi Y., Wang H., Mi Z., Liu Z., Gao L., Qiao L. A first-principles study on the hydrogen trap characteristics of coherent nano-precipitates in α-Fe // Intern. J. Hydrogen Energy. 2020. V. 45. № 51. P. 27941–27949.
  18. Di Stefano D., Nazarov R., Hickel T., Neugebauer J., Mrovec M., Elsässer C. First-principles investigation of hydrogen interaction with TiC precipitates in α-Fe // Phys. Rev. B. 2016. V. 93. № 18. P. 184108.
  19. McEniry E. J., Hickel T., Neugebauer J. Hydrogen behaviour at twist {110} grain boundaries in α-Fe // Philosoph. Trans. Royal Soc. A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2017. V. 375. № 2098. P. 20160402.
  20. Counts W.A., Wolverton C., Gibala R. First-principles energetics of hydrogen traps in α-Fe: Point defects // Acta Mater. 2010. V. 58. № 14. P. 4730–4741.
  21. Itakura M., Kaburaki H., Yamaguchi M., Okita T. The effect of hydrogen atoms on the screw dislocation mobility in bcc iron: A first-principles study // Acta Mater. 2013. V. 61. № 18. P. 6857–6867.
  22. McEniry E. J., Hickel T., Neugebauer J. Ab initio simulation of hydrogen-induced decohesion in cementite-containing microstructures // Acta Mater. 2018. V. 150. P. 53–58.
  23. Jiang D.E., Carter E.A. Diffusion of interstitial hydrogen into and through bcc Fe from first principles // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. № 6. P. 064102.
  24. Bhadeshia H.K.D.H. Prevention of hydrogen embrittlement in steels // ISIJ international. 2016. V. 56. № 1. P. 24–36.
  25. Nazarov R., McEniry E., Hickel T., Yagodzinsky Y., Zermout Z., Mracze K. Hydrogen sensitivity of different advanced high strength microstructures (HYDRAMICROS) / European Commission, Directorate-General for Research and Innovation, Final report, Publications Office. 2015. 163.
  26. Kholtobina A.S., Pippan R., Romaner L., Scheiber D., Ecker W., Razumovskiy V.I. Hydrogen trapping in bcc iron // Materials. 2020. V. 13. № 10. P. 2288.
  27. Mirzaev D.A., Mirzoev A.A., Okishev K.Y., Verkhovykh A.V. Hydrogen–vacancy interaction in bcc iron: ab initio calculations and thermodynamics // Molecular Physics. 2014. V. 112. № 13. P. 1745–1754.
  28. Mirzoev A.A., Mirzaev D.A., Verkhovykh A.V. Hydrogen–vacancy interactions in ferromagnetic and paramagnetic bcc iron: Ab initio calculations // Phys. Stat. Sol. (b). 2015. V. 252. № 9. P. 1966–1970.
  29. Rakitin M.S., Mirzoev A.A., Mirzaev D.A. First-principles and thermodynamic simulation of elastiс stress effect on energy of hydrogen dissolution in alpha iron // Russ. Phys. Journal. 2018. V. 60. P. 2136–2143.
  30. Verkhovykh A.V., Mirzoev A.A., Ruzanova G.E., Mirzaev D.A., Okishev K.Yu. Interaction of hydrogen atoms with vacancies and divacancies in bcc iron / Mater. Sci. Forum. – Trans Tech Publications Ltd, 2016. V. 870. P. 550–557.
  31. Mirzaev D.A., Mirzoev A.A., Okishev K.Yu., Verkhovykh A.V. Ab initio modelling of the interaction of H interstitials with grain boundaries in bcc Fe // Molecular Phys. 2016. V. 114. № 9. P. 1502–1512.
  32. Mirzoev A.A., Verkhovykh A.V., Okishev K.Y., Mirzaev D.A. Hydrogen interaction with ferrite/cementite interface: Ab initio calculations and thermodynamics // Molecular Physics. 2018. V. 116. № 4. P. 482–490.
  33. Мирзаев Д.А., Мирзоев А.А., Ракитин М.С. Влияние легирования на термодинамические характеристики водорода в ОЦК-железе // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2016. Т. 16. № 4. С. 40–53.
  34. Урсаева А.В., Ракитин М.С., Рузанова Г.Е., Мирзоев А.А. Аb initio моделирование взаимодействия водорода с точечными дефектами в ОЦК-железе // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. 2011. № 10 (227). С. 114–119.
  35. Schwarz K., Blaha P., Madsen G.K. H. Electronic structure calculations of solids using the WIEN2k package for material sciences // Comp. Phys. communications. 2002. V. 147. № 1–2. P. 71–76.
  36. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1974. 272 с.
  37. Danilkin S.A., Fuess H., Wipf H., Ivanov A., Gavriljuk V.G., Delafosse D., Magnin T. Hydrogen vibrations in austenitic fcc Fe–Cr–Mn–Ni steels // Europhysics Letters. 2003. V. 63. P. 69.
  38. Iwamoto M., Fukai Y. Superabundant vacancy formation in iron under high hydrogen pressures: thermal desorption spectroscopy // Mater. Trans. JIM. 1999. V. 40. P. 606–611.
  39. Ono K., Meshii M. Hydrogen detrapping from grain boundaries and dislocations in high purity iron // Acta Metal. Mater. 1992. V. 40. P. 1357–1364.
  40. Besenbacher F., Myers S.M., Nordlander P., Norskov J.K. Multiple hydrogen occupancy of vacancies in Fe // J. Appl. Phys. 1987. V. 61. P. 1788–1794.
  41. Zhou D.S., Shiflet G.J. Ferrite: cementite crystallography in pearlite // Metal. Trans. A. 1992. V. 23. P. 1259–1269.
  42. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. М: Металлургия. 1994. 287.
  43. Kawakami K., Matsumiya T. Ab-initio investigation of hydrogen trap state by cementite in bcc-Fe // ISIJ international. 2013. V. 53. P. 709–713.
  44. Takai K., Watanuki R. Hydrogen in trapping states innocuous to environmental degradation of high-strength steels // ISIJ international. 2003. V. 43. P. 520–526.
  45. Rakitin M.S., Mirzoev A.A. Ab initio Simulation of Dissolution Energy and Bond Energy of Hydrogen with 3 sp, 3 d, and 4 d Impurities in bcc Iron // Phys.Sol. State. 2021. V. 63. P. 1065–1068.
  46. Myers S.M., Baskes M.I., Birnbaum H.K. et al. Hydrogen interactions with defects in crystalline solids // Rev. Mod. Physics. 1992. V. 64. P. 559.
  47. Liu Y.L., Zhang Y., Zhou H.B., Lu G.H., Liu F., Luo G.N. Vacancy trapping mechanism for hydrogen bubble formation in metal // Phys. Rev. B. 2009. V. 79. P. 172103.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Основные элементы дефектов структуры в ОЦК-сталях, которые необходимо учитывать, чтобы охватить проблему водородной деградации сталей. Рассмотренные в данной работе элементы выделены жирным курсивом.

Скачать (144KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кристаллическая структура ОЦК-Fe с указанием магнитного упорядочения (ФМ) и положений межузельных позиции внедрения (тетрапор (ТП) и октапор (ОП)).

Скачать (138KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость энергии растворения водорода в α-железе (ΔEsol) от внешнего гидростатического напряжения (σ) [29].

Скачать (80KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Энергетическая схема поведения атома водорода в металле для пояснения понятий энергии растворения (Es), энергии связи (захвата) с ловушкой (Eb) и энергии активации диффузии (Ea) в идеальной решетке.

Скачать (87KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость энергии связи атома водорода в комплексе VaHn от числа атомов Н: кружки — результаты нашего моделирования [27]; треугольники — результаты работы [16]; квадраты — экспериментальные данные [40].

Скачать (91KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Температурная зависимость доли атомов водорода, связанных с вакансиями , при общей концентрации водорода xH: 1 — 10−4; 2 – 3 ·10−4; 3 — 10−3.

Скачать (76KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Энергия растворения водорода как функция расстояния от границы раздела зерен для границ зерен Σ3(111), Σ5(210) и Σ5(310) в ОЦК-Fe. Штриховые линии указывают энергии растворения Н в тетраэдрических позициях в ОЦК-Fe.

Скачать (97KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Суперячейка для межфазной границы феррит/цементит. Цифрами обозначены позиции водорода на межфазной границе.

Скачать (158KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость энергии растворения водорода вблизи различных примесей в матрице железа от изменения электронной плотности внутри тетраэдрической поры ОЦК-Fe, после внедрения в нее атома водорода. Прямая на рисунке соответствует изменению энергии атома водорода при погружении в однородный электронный газ в рамках теории эффективной среды (сплошная кривая из рис. 4 работы [46]).

Скачать (94KB)
Метаданные