Hydrogen Grain Boundary Segregation and Migration in the Alpha-Iron

Based on the difference in diffusion mechanisms of substitutional and interstitial atoms and using molecular dynamics simulation of hydrogen migration, it is shown that accelerated hydrogen flux in the polycrystalline iron observed during cathodic charging cannot originate from the enhanced hydrogen grain-boundary diffusion. A possible role of grain-boundary cracking is supposed.Основываясь на отличиях механизмов диффузии атомов замещения и внедрения и используя моделирование методом молекулярной динамики миграции водорода, показано, что ускоренный поток водорода в поликристаллическом железе, который наблюдается в процессе катодного наводораживания, не может быть следствием ускоренной зернограничной диффузии водорода. Рассмотрена возможная роль зернограничного растрескивания.Ґрунтуючись на відмінностях механізмів дифузії атомів заміщення та втілення і використовуючи молекулярно-динамічні розрахунки міґрації атомів Гідроґену, показано, що прискорений потік водню в полікристалічному залізі, який спостерігається в процесі катодного наводнення, не може бути наслідком прискореної зерномежової дифузії водню. Розглядається можлива роль зерномежового розтріскування

Grain-Boundary Diffusion of Hydrogen Atoms in the α-Iron

Grain boundary diffusion of hydrogen atoms in the α-iron is analysed based on the theoretical modelling. By means of molecular-dynamics simulation of hydrogen-atoms’ migration in selected special grain boundaries with different misorientation angles as well as in the bulk, it is demonstrated that the activation enthalpy of hydrogen migration in the grain boundary is higher than that in the bulk. Based on this result, a conclusion is made that grain boundaries in the iron are traps for hydrogen atoms and retard their migration. As supposed, an increase in the hydrogen grain-boundary diffusion, as observed in some experiments, is related to the hydrogen-caused intergranular crackingПосредством теоретического моделирования исследована зернограничная диффузия атомов водорода в α-железе. Молекулярно-динамическое моделирование миграции атомов водорода в выбранных границах зёрен с разными углами разориентировки, а так же в объёме зерна, показало, что энтальпия активации миграции атомов водорода по границам зёрен выше, чем соответствующее значение в объёме зерна. Основываясь на этих результатах, сделан вывод, что границы зёрен в железе являются ловушками для атомов водорода и замедляют их миграцию. Сделано предположение, что увеличение коэффициента зернограничной диффузии водорода, наблюдавшееся в некоторых экспериментах, связано с индуцированным водородом межкристаллитным растрескиванием.За допомогою теоретичного моделювання було проаналізовано зерномежову дифузію атомів водню в α-залізі. Молекулярно-динамічне моделювання міґрації атомів водню в обраних межах зерен з різними кутами дезорієнтації, а також в об’ємі зерна, показало, що ентальпія активації міґрації атомів водню по межах зерен вища, ніж відповідне значення в об’ємі зерна. На підґрунті цих результатів зроблено висновок, що межі зерен у залізі є пастками для атомів водню і сповільнюють їх міґрацію. Зроблено припущення, що збільшення коефіцієнта зерномежової дифузії водню, яке спостерігалося в деяких експериментах, пов’язане з індукованим воднем міжкристалітним розтріскуванням

Hydrogen in Nickel: Hydride or Miscibility Gap?

Using low temperature X-ray diffraction, the phase transformations in the hydrogen-saturated nickel are studied. At the hydrogen degassing, its content in nickel decreases down to H/M ratio of about 0.65. The further decreasing of hydrogen content leads to the two-phase separation, notably, hydrogen-rich and hydrogen-depleted solid solutions with permanent hydrogen concentrations existing while the hydrogen-rich phase does not disappear. Based on the Gibbs’ idea about two types of precipitation reactions and available experimental data, it is concluded that, in fact, the so-called Ni-hydride is a hydrogen-rich solid solution, which appears because of miscibility gap in the Ni—H system. At higher hydrogen contents beyond the crown, hydrogenrich phase exists in the wide concentration range as a supersaturated hydrogen solid solution in nickel, which is also incorrectly interpreted as Nihydride.За допомогою низькотемпературної Рентґенової дифрактометрії було досліджено фазові перетворення в насиченому воднем нікелі. Було визначено, що при дегазації водню його вміст у нікелі зменшується до співвідношення Н/Ме, близького до 0,65. Подальше зменшення вмісту водню призводить до поділу на дві фази – збагачений воднем і збіднений воднем тверді розчини, що містять незмінну кількість водню аж до зникнення збагаченої воднем фази. Спираючись на ідею Ґіббса щодо двох типів реакцій утворення і наявні експериментальні дані, зроблено висновок, що насправді так званий гідрид нікелю є твердим розчином водню в нікелі, який виникає внаслідок розриву змішуваності в системі Ni—H. При подальшому збільшенні вмісту водню за межами купола він існує в широкому інтервалі концентрацій як перенасичений твердий розчин водню в нікелі, котрий некоректно інтерпретують як гідрид нікелю.Посредством низкотемпературной рентгеновской дифрактометрии были исследованы фазовые превращения в насыщенном водородом никеле. Было определено, что при дегазации водорода его содержание в никеле уменьшается до соотношения Н/Ме около 0,65. Дальнейшее уменьшение содержания водорода приводит к разделению на две фазы – обогащённый водородом и обеднённый водородом твёрдые растворы, содержащие неизменное количество водорода вплоть до исчезновения обогащённой водородом фазы. Опираясь на идею Гиббса о двух типах реакций выделения и существующие экспериментальные данные, сделан вывод, что в действительности так называемый гидрид никеля является твёрдым раствором водорода в никеле, образующимся в результате разрыва смешиваемости в системе Ni—H. При дальнейшем увеличении содержания водорода за пределами купола он существует в широком интервале концентраций как пересыщенный твёрдый раствор водорода в никеле, который некорректно интерпретируют как гидрид никеля

Mechanism of Embrittlement of Metals by Surface-Active Elements

The nature of mechanical degradation of metals caused by surface-active elements is studied based on the effects of iodine and gallium in austenitic steels and using abinitio calculations and experimental measurements of electronic structure, X-ray diffraction, mechanical spectroscopy, and mechanical tests. A significant increase in the density of electron states at the Fermi level for iodine in f.c.c. iron is shown that is in consistent with the measurements of the increased concentration of free electrons caused by iodine in austenitic steels. Consequently, the increase in mobility of dislocations by iodine and gallium in austenitic steels is revealed. The localization of the enhanced plastic deformation is discussed as a condition for brittleness. The obtained results are at variance with the widely spread opinion about the determining role of surface energy in a liquid-metal brittleness and, instead, are interpreted based on the correlation between atomic interactions and dislocation properties. Applicability of the available HELP and AIDE hypotheses is discussed.Природа механической деградации металлов, обусловленной поверхностно-активными элементами, была изучена, основываясь на влиянии йода и галлия на аустенитные стали и используя abinitio-расчёты и экспериментальные исследования электронной структуры, рентгеновскую дифракцию, механическую спектроскопию и механические испытания. Показано существенное повышение плотности электронных состояний на уровне Ферми в случае йода в ГЦК-железе, что согласуется с измерениями, в которых была зафиксирована повышенная концентрация свободных электронов, вызванная йодом в аустенитных сталях. Как следствие, установлено повышение мобильности дислокаций, вызванное йодом и галлием в аустенитных сталях. Обсуждается роль локализации повышенной пластической деформации в качестве условия хрупкости. Полученные результаты противоречат широко распространённому мнению об определяющей роли поверхностной энергии в жидкометаллической хрупкости и, вместо этого, интерпретируются, основываясь на корреляции между атомными взаимодействиями и дислокационными свойствами. Обсуждается применимость гипотез HELP и AIDE.Природу механічної деґрадації металів, яку спричинено дією поверхнево-активних елементів, було досліджено, виходячи із впливу Йоду та Ґалію на аустенітні сталі та використовуючи abinitio-розрахунки й експериментальні дослідження електронної структури, рентґенівську дифракцію, механічну спектроскопію та механічні випробування. Показано істотне підвищення густини електронних станів на рівні Фермі у випадку Йоду в ГЦК-залізі, що узгоджується з вимірюваннями, в яких було зафіксовано підвищену концентрацію вільних електронів, яку спричинено Йодом в аустенітних сталях. Як наслідок, встановлено підвищення мобільности дислокацій, спричинене Йодом і Ґалієм в аустенітних сталях. Обговорюється роль локалізації підвищеної пластичної деформації в якості умови крихкости. Одержані результати суперечать розповсюдженим твердженням про визначальну роль поверхневої енергії в рідкометалевому окрихченні і замість цього інтерпретуються, виходячи з кореляції між атомними взаємодіями та дислокаційними властивостями. Обговорюється коректність гіпотез HELP та AIDE

Carbon and nitrogen in iron-based austenite and martensite : An attempt at comparative analysis

Similarities and differences in the structure of carbon and nitrogen austenites and martensites are reviewed. It is shown that different atomic distribution of interstitial and substitutional solute atoms (tendencies towards clustering in carbon austenite and short range atomic ordering in nitrogen austenite) stems from the preferential localisation of electrons on the atomic sites by carbon and increase in the concentration of free électrons by nitrogen. Increased stability of nitrogen austenitic steels in relation to sensitisation treatments and martensitic transformation is attributed to the nitrogen-assisted short range atomic ordering. A more homogeneous distribution of interstitial and substitutional solutes is inherited by martensite, which results in delayed precipitation during tempering, the lower rate of coarsening in nitrides as compared to carbides and improved mechanical properties of nitrogen martensitic steels