ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ ВОДОРОДА НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК Ni, Al И Ni₃Al ПРИ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ

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.

1. Овчинников И.И., Овчинников И.Г. Влия-ние водородосодержащей среды при высоких температурах и давлениях на поведение металлов и конструкций из них. Интернет-журнал Науковедение. 2012;4(13):95. EDN: PVXFRN.

2. Fukai Y. The Metal-Hydrogen System. Berlin: Springer, 2005;450.

3. Zhao J., Zhang X., Li Y. Hydrogen embrittlement mechanisms in high-strength steels. Acta Materialia. 2020;183:10–18.

4. Зюзин Д.И., Маркидонов А.В. Водородное охрупчивание и влияние водорода на свойства металлов и сплавов. Механики XXI веку. 2024;23:389‒395. EDN: DDSXFP.

5. Kirchheim R. Reducing grain boundary, dislocation line and vacancy formation energies by solute segregation: I. Theoretical background. Acta Materialia. 2007;55(15):5129–5138.

6. Robertson Ia.M., Sofronis P., Nagao A. et al. Hydrogen Embrittlement Understood. In: Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2015;46(3):1085‒1103. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0325-y. EDN: DOMXPA.

7. Зоря И.В., Полетаев Г.М. Влияние упругой деформации кристаллической решетки ГЦК металлов на энергию связи и миграции примесных атомов легких элементов. Химическая физика и мезоскопия. 2019;21:135‒139.

8. Нагорных И.Л., Бурнышев И.Н. Численное моделирование влияния водорода на поведение кристаллов Al, Fe, Ni и Pd при растяжении. Химическая физика и мезоскопия. 2012;14(4):604‒608. EDN: PVHTCZ.

9. Бурнышев И.Н., Нагорных И.Л. О механизмах водородного охрупчивания и некоторых результатах молекулярно-динамического моделирования систем металл-водород. В кн.: Труды Института механики УрО РАН "Проблемы механики и материаловедения". Ижевск: изд. Ин-ститута механики Уральского отделения РАН, 2015:20‒30. EDN: TPGOXR.

10. Poletaev G.M., Novoselova D.V., Starostenkov M.D., Zorya I.V. Molecular dynamics simulation of hydrogen atom diffusion in crystal lattice of fcc metals. International Journal of Materials Research. 2017;108(10):785‒790. https://doi.org/10.3139/146.111556. EDN: XOKKQY.

11. Нагорных И.Л., Бурнышев И.Н. Молеку-лярно-динамическое исследование меха-низмов водородной хрупкости металлов. В кн.: Механика и физико-химия гетерогенных сред, наносистем и новых материалов: Материалы научных исследований. Ижевск: Институт механики Уральского отделения РАН, 2015:199‒211. EDN: ULMEXT.

12. Шалаев А.А. Основы физического материаловедения. Методы экспериментальной физики конденсированного состояния. Ч. 1. Иркутск: изд. Иркутского государственного университета, 2013;159. EDN: TKRZUX.

13. Callister W. D., Rethwisch D. G. Fundamen-tals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach. 4th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2013.

14. Fukai Y. The Metal-Hydrogen System Basic Bulk Properties. Springer Series in Materials Science. 2005;21:1‒28.

15. https://doi.org/10.1007/978-3-662-02801-8_1. EDN: KMHOFO.

16. Смирнов Ю.М. Возбуждение 3F-уровней атома никеля соударениями с медленными электронами. Журнал прикладной спектроскопии. 2009;76(5):645‒651. EDN: KUISAN.

17. Robertson Ia.M., Sofronis P., Nagao A. et al. Hydrogen Embrittlement Understood. In: Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2015;46(3):1085‒1103.

18. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0325-y. EDN: DOMXPA.

19. Nagumo M. Hydrogen related failure of steels – a new aspect. Materials Science and Techno-logy. 2004;20(8):940–950.

20. https://doi.org/10.1179/026708304225019687

21. Агеева Е.В., Горохов А.А. Конструкцион-ные материалы, используемые в машино-строении. Курск: ЗАО «Университетская книга», 2014:130. EDN: SHGOUT.

22. Zorya I. V., Poletaev G. M. Influence of elastic deformation of the crystal lattice of FCC metals on the binding energy and migration of impurity atoms of light elements. Chemical Physics and mesoscopy. 2019;21(4):135.

23. Зоря И.В. Взаимодействие атомов С, N, О, Н с дефектами кристаллический решетки в ГЦК металлах на примере Ni, Ag, Al: автореф. дис. докт. наук, 2022:31. EDN: CBFCLP.