Investigation of interaction between α -Fe metal and H atom by ab-initio method

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α-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α-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α-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.