基于第一性原理的含空位a-Fe和H原子相互作用研究

作者：成应晋^*; 杨超飞; 薛钢; 王涛; 张磊; 李梅娥

来源：Acta Physica Sinica, 2020, 69(05): 44-55.

• 密度泛函理论
• 热力学分析
• 铁素体
• 扩散氢

氢致裂纹是制约超高强度钢应用的关键问题,掌握扩散氢的分布行为有助于弄清氢致裂纹的形成机理.本文采用第一性原理方法计算了H原子占据a-Fe晶格间隙和空位时的情况,得到了晶体的稳定构型及能量,并据此分析了H原子在晶格间隙和空位中的溶解倾向;从Mulliken布居、电子密度分布、态密度分布等角度分析了H原子与a-Fe晶体间隙和空位之间的相互作用.结果表明:间隙H原子倾向占据a-Fe四面体间隙位,其1s轨道电子与Fe的4s轨道电子呈微弱共轭杂化;空位是强氢陷阱, H原子倾向占据空位内壁附近的等电荷面.在真空0 K条件下单空位最多稳定溶解3个H原子,且H原子之间未表现出自发形成H2的倾向;间隙和空位中的H原子溶入改变了Fe晶格内电子分布导致原子结合力弱化,并在局部区域形成反键.基于第一性原理能量计算结果开展热力学分析,分析结果表明大多数情况下间隙H原子都是H主要的固溶形式, H平衡溶解度计算结果与实际符合良好.

• 单位
  洛阳船舶材料研究所; 西安交通大学; 金属材料强度国家重点实验室