实验时间尺度下氢对位错形核和运动的影响：计算方法，原子模拟及实验验证

One of the primary causes for the failure of metallic materials is hydrogen embrittlement (HE), where the interaction of hydrogen with dislocations plays an important role. However, the effects of hydrogen on dislocation nucleation and motion are still the subject of widespread controversy at present. Although atomistic simulation as an effective method in studying HE is attracting more and more attention, we are still unable to simulate the effects of hydrogen on dislocation nucleation and motion at the laboratory time scale by the currently available simulation methods. In addition, there is a lack of empirical interatomic potentials describing correctly the properties of hydride phases. In light of these, the present project is designed to develop a method that can simulate the process of dislocation nucleation and motion in the presence of hydrogen at the laboratory time scale and the new embedded-atom potentials that can correctly describe not only dissolution, diffusion, binding properties of hydrogen in the metals Fe and Ni, but also the properties of their hydride phases. On this base, we will simulate the effects of hydrogen on dislocation nucleation and motion and crack propagation at the laboratory time scale and conduct mechanical testing and TEM observations to confirm the simulation results. It can be expected that the program will overcome the limitations of traditional molecular dynamics simulations and obtain the correct and reliable results of hydrogen effects on dislocation activities, to improve our understanding of HE occurring in laboratory and practical engineering applications.

氢脆是金属材料破坏的一个主要因素，而导致氢脆发生的关键之一则是氢与位错的交互作用。然而，关于氢对位错形核和运动的影响目前仍存在广泛争议。虽然计算机原子模拟作为氢脆研究的一种手段越来越受到人们的重视，但目前已有的方法仍不能在实验时间尺度上模拟氢对位错行为的影响。此外，也缺乏正确描述氢化物的交互作用势函数。有鉴于此，本项目拟构建新的不仅能描述氢在铁、镍中固溶、扩散、与缺陷的结合，又能正确描述氢化物性能的嵌入原子势函数，建立实验时间尺度下氢对位错形核和运动影响的模拟方法。在此基础上模拟研究真实实验时间尺度下氢对位错形核、运动以及对裂纹扩展的影响，并通过机械性能测试和电镜分析等实验手段验证模拟结果。可以预见，本项目的实施将克服传统分子动力学模拟在氢脆研究方面的局限性，获得氢对位错行为影响的准确、可靠的结果，促进对实验和实际工程应用中氢脆发生机理的进一步了解。

人们对于氢脆的研究已长达一百多年，然而，对氢如何影响位错的形核和运动，从而导致材料脆性破坏目前仍然未能达成统一的认识。虽然计算机原子模拟作为氢脆研究的一种手段越来越受到人们的重视，但目前已有的方法仍不能在实验时间尺度上模拟氢对位错行为的影响，也缺乏高氢浓度下正确描述氢-氢交互作用的势函数。有鉴于此，本项目经过努力，成功构建了基于第一原理计算结果的氢在铁中的新的嵌入原子势函数。该势函数不仅能描述氢在铁中固溶、扩散、与缺陷的结合，又能正确描述高氢浓度区域如位错核心、裂纹尖端，晶界等的氢与氢之间的交互作用。采用该势函数可以准确模拟氢在晶体缺陷周围的分布，能量，防止在计算机模拟中氢的非正常聚集。这对于准确、可靠模拟和探索氢脆微观机理至关重要。.使用该势函数，我们已成功采用蒙特卡洛方法模拟了氢在位错核心及周围的分布，证实氢降低了位错的能量。其根本原因是因为氢降低了位错核心区的切变模量，同时也增大了位错核心。因此可以推断，氢能使位错更加容易形核、增值。这很可能就是氢导致局部塑性增强的根本原因。另外，我们也研究了一种氢随位错运动的模拟计算方法：结合分子动力学和蒙特卡罗方法模拟了氢对位错通过林位错的影响，发现在实验时间尺度下氢提高了位错通过林位错的激活能，使位错更加难越过障碍。其结果是氢会使材料中的位错密度增加，位错更加容易形成缠结，进而形成微裂纹，导致材料早期开裂、失效，形成氢脆。