аспирант 3 курса «Физика конденсированного состояния»
3rd year postgraduate student "Condensed Matter Physics"
д.ф.-м.н., доцент кафедры информатики и вычислительной техники им. Буторина В.К.
Dr. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor of the Department of Computer Science and Computer Engineering. Butorina V.K.
Методом молекулярной динамики при температуре 0 К исследовано влияние упругой деформации (сжатие и растяжение до ±5 %) и внедрения атомов водорода (концентрация от 1 до 50 атомов) на внутреннюю энергию кристаллических решеток никеля, алюминия и интерметаллида Ni₃Al. Моделирование проводили с использованием надежного межатомного потенциала EAM, адекватно описывающего взаимодействие в системе металл ‒ водород. Проанализировано размещение водорода в тетраэдрических и октаэдрических междоузлиях, а также деформация вдоль одной, двух и трех осей, что позволило оценить вклад различных типов напряженного состояния. Показано, что как деформация, так и внедрение водорода приводят к увеличению внутренней энергии систем, снижая их термодинамическую стабильность. Наибольший рост энергии наблюдается при сочетании сжатия (–5 %) и высоких концентраций водорода в тетраэдрических порах, что особенно характерно для интерметаллида Ni₃Al. Обнаружено, что прочность связи водорода с решеткой зависит от природы металла: связь Ni – H оказывается прочнее, чем Al – H благодаря электронной структуре никеля. Для интерметаллида Ni₃Al характерен синергетический эффект, приводящий к повышенному сродству с водородом в отсутствие деформации. При деформировании же его чувствительность к водородному внедрению ослабевает, приближаясь к среднему значению между никелем и алюминием. Результаты согласуются с законами термодинамики и теорией упругости, а также объясняют механизм водородного охрупчивания, вызванного локальными искажениями решетки и изменением электронной плотности. Полученные результаты важны для прогнозирования долговечности и надежности материалов в условиях водородсодержащих сред и механических нагрузок.
The effect of elastic deformation (compression and stretching up to ±5 %) and the incorporation of hydrogen atoms (concentration from 1 to 50 atoms) on the internal energy of crystal lattices of nickel, aluminum and Ni₃al intermetallic compounds has been studied by the method of molecular dynamics at a temperature of 0 K. The simulation was performed using a reliable interatomic potential EAM, which adequately describes the interaction in the metal‒hydrogen system. The placement of hydrogen in tetrahedral and octahedral interstices, as well as deformation along one, two, and three axes, was analyzed, which made it possible to evaluate the contribution of various types of stress states. It is shown that both the deformation and the introduction of hydrogen lead to an increase in the internal energy of the systems, reducing their thermodynamic stability. The greatest increase in energy is observed with a combination of compression (‒5 %) and high carbon concentrations in tetrahedral pores, which is especially typical for Ni₃Al intermetallic. It was found that the bond strength of hydrogen with the lattice depends on the nature of the metal: the Ni – H bond turns out to be stronger than Al – H due to the electronic structure of nickel. Ni₃Al intermetallic compound is characterized by a synergistic effect leading to increased affinity with hydrogen in the absence of deformation. When deformed, its sensitivity to hydrogen incorporation weakens, approaching the average value between nickel and aluminum. The results are consistent with the laws of thermodynamics and the theory of elasticity, and explain the mechanism of hydrogen embrittlement caused by local lattice distortions and changes in electron density. The results obtained are important for predicting the durability and reliability of materials in conditions of hydrogen-containing media and mechanical loads.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.