【摘 要】
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氢脆会导致金属材料的机械性能下降,诱发金属材料脆性失效。氢脆是溶解在金属内部的氢与金属的相互作用造成的,探究氢在金属中的固溶行为对氢脆机理的研究具有重要意义。在铁基合金中固溶一定浓度的镍原子能够有效提升金属材料的抗氢脆性能,探究镍原子对氢固溶行为的影响对研究镍元素提升金属材料抗氢脆性能的机理同样具有重要意义。氢脆是发生在原子尺度上的微观现象,基于密度泛函理论的第一性原理计算可以很好地在微观尺度上解
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氢脆会导致金属材料的机械性能下降,诱发金属材料脆性失效。氢脆是溶解在金属内部的氢与金属的相互作用造成的,探究氢在金属中的固溶行为对氢脆机理的研究具有重要意义。在铁基合金中固溶一定浓度的镍原子能够有效提升金属材料的抗氢脆性能,探究镍原子对氢固溶行为的影响对研究镍元素提升金属材料抗氢脆性能的机理同样具有重要意义。氢脆是发生在原子尺度上的微观现象,基于密度泛函理论的第一性原理计算可以很好地在微观尺度上解释氢与金属的相互作用。本文采用第一性原理计算研究氢在铁镍合金中的固溶行为。构建H-BCC Fe、H-FCC Fe、H-FCC Ni、H-BCC Fe-Ni以及H-FCC Fe-Ni晶胞模型,研究氢在上述晶胞模型中的最佳固溶位点;依据西韦特定律推导氢在BCC-Fe、FCC-Fe、FCC-Ni以及FCC-Fe31Ni晶胞模型中固溶度与温度的函数关系;研究镍原子数量与占位对氢固溶能和最佳固溶位点的影响;通过差分电荷密度和态密度研究固溶氢原子与金属原子的相互作用。计算结果显示氢在BCC晶胞的最佳固溶位点为四面体间隙,在FCC晶胞的最佳固溶位点为八面体间隙。氢在所有晶胞的固溶度均随着温度的升高而增大。相同温度和氢分压下,固溶度大小为:S（BCC-Fe）＜S（FCC-Fe）＜S(FCC-Fe31Ni)＜S（FCC-Ni）。铁镍晶胞中,镍原子会影响氢固溶能和最佳固溶位点,对其一近邻间隙处的固溶氢呈排斥效果。氢的固溶能会随着构成间隙镍原子数量的增加而增加,镍原子占位对此几乎无影响。氢固溶后呈得电子状态,会与最近邻金属原子产生杂化共轭作用,形成的金属-氢键是微观作用的根本所在。镍原子通过改变氢的固溶能和固溶熵变影响其固溶行为。
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