Исследование взаимодействия водорода с границами зерен в α-Fe

Abstract

Представлены результаты первопринципного моделирования взаимодействия водорода с границами зерен в α-железе. Моделирование проводилось в рамках теории функционала плотности (DFT) полнопотенциальным методом линеаризованных присоединенных плоских волн (FP LAPW) с учетом обобщенного градиентного приближения (GGA’96) в программном пакете WIEN2k. Были изучены три границы зерен наклона: Σ3(111), Σ5(210) и Σ5(310). Построение суперячеек границ зерен наклона осуществлялось с помощью модели решетки совпадающих узлов. Суперячейки содержали 40–48 атомов, т. е. по 20–24 атома в каждом из двух зерен. Определены энергия формирования границ зерен: 1,46; 1,83 и 1,44 Дж/м2 и максимальные энергии захвата атома водорода границами 0,39; 0,81 и 0,43 эВ, соответственно. Эти данные хорошо согласуются с результатами, представленными в других работах. Высокое значение энергии связи водорода с границей зерна Σ5(210), вероятно, связано с асимметричным строением конфигурации атомов, полученной в результате взаимного жесткого сдвига двух зерен, которые необходимо было ввести, чтобы обеспечить оптимальные расстояния между атомами Fe, в отличие от двух других типов границ зерен. The article presents results of first-principles modeling of the interaction of hydrogen with grain boundaries in α-iron. The simulation was performed in the framework of density functional theory (DFT) method of the full-potential linearised augmented-plane wave (FP LAPW) with generalised gradient approximation (GGA’96) in WIEN2k package. Three tilt grain boundaries Σ3 (111), Σ5(210) and Σ5(310) were studied. The calculated tilt grain boundaries were constructed using the coincidence site lattice model. The supercells contained 40–48 atoms, i.e. 20–24 atoms in each of the two grains. Calculated formation energies of grain boundaries are 1.46, 1.83 and 1.44 J/m2 and maximum binding energies of hydrogen to the boundaries are 0.39, 0.81 and 0.43 eV, respectively. These data are in good agreement with the results shown in other studies. The high value of trapping energy of the Σ5(210) boundary is probably due to the asymmetrical structure resulting from mutual rigid shift of the two grains, that was necessary to be introduced to provide optimum distance between Fe atoms, in contrast to the other two types of boundaries.