DFT計算を介して、α-Feマトリックスからナノプレシピテートへの水素原子の移動メカニズムを理解する

高強度の鋼のサービスは、水素抑制の脅威に苦しんでおり、ナノプレシピテートを導入することは、それを緩和するための効果的な道です。水素原子がナノプレシピテートにどのように移動するかは、明らかにする必要がある重要な質問です。この研究では、NEBベースのDFT計算により、α-Fe/MC（M = V、Ti、NB）を介してα-Feから拡散する水素原子のプロセス全体のエネルギー進化プロファイルを明確に構築し、最終的にナノプレシピテート。計算結果は、水素原子がα-FE/MCコヒーレント界面を介して困難に陥り、ナノプレシピテートの拡散が2段階の経路に従うことを示しています。C原子空孔は、MCナノプレシピテートで形成されやすいです。C原子または金属原子の空孔をα-FE/MC界面に導入すると、C原子空孔は水素トラップ部位であり、金属原子空孔は移動障壁を減らします。さらに、ナノ前沈下でC原子または金属原子の空孔が形成されると、空室は不可逆的なトラッピングサイトとして動作します。最後に、電子構造の分析と歪みエネルギーの計算により、α-Feからナノ前沈殿物への水素拡散に対する局所原子環境の影響が明らかに明らかになりました。

The service of high-strength steel suffers from the threat of hydrogen embrittlement and introducing nano-precipitates is an effective avenue to mitigate it. How hydrogen atoms migrate into nano-precipitates is an important question that needs to be clarified. In this study, NEB-based DFT calculations have clearly constructed the energy evolution profiles of the whole process for hydrogen atoms diffusing from α-Fe through the α-Fe/MC (M = V, Ti, Nb) coherent interfaces and finally into the nano-precipitates. The calculation results indicate that a hydrogen atom migrates with difficulty through the α-Fe/MC coherent interfaces and the diffusions in nano-precipitates follow two-step pathways. The C atom vacancy is easier to form in MC nano-precipitates. When introducing a C atom or metallic atom vacancy into the α-Fe/MC interface, the C atom vacancy is the hydrogen trapping site, while the metallic atom vacancy reduces the migration barrier. In addition, once a C atom or metallic atom vacancy is formed in the nano-precipitate, the vacancy will behave as an irreversible trapping site. Finally, electronic structure analyses and distortion energy calculations clearly reveal the effects of the local atomic environment on hydrogen diffusion from α-Fe into nano-precipitates.