Abstract Hydrogen (H) induced damage in metals has been a long-standing woe for many industrial applications. One form of such damage is linked to H clustering, for which the atomic origin remains contended, particularly for non-hydride forming metals. In this work, we systematically studied H clustering behavior in bcc metals represented by W, Fe, Mo, and Cr, combining first-principles calculations, atomistic and Monte Carlo simulations. H clustering has been shown to be energetically favorable, and can be strongly facilitated by anisotropic stress field, dominated by the tensile component along one of the crystalline directions. We showed that the stress effect can be well predicted by the continuum model based on H formation volume tensor, and that H clustering is thermodynamically possible at edge dislocations, evidenced by nanohydride formation at rather low levels of H concentration. Moreover, anisotropy in the stress effect is well reflected in nanohydride morphology around dislocations, with nanohydride growth occurring in the form of thin platelet structures that maximize one tension. In particular, the type edge dislocation, with the tensile component maximized, has been shown to be highly effective in facilitating H aggregation, thus expected to play an important role in H clustering in bcc metals, in close agreement with recent experimental observations. This work explicitly and quantitatively clarifies the anisotropic nature of stress effect on H energetics and H clustering behaviors, offering mechanistic insights critical towards understanding H-induced damages in metals.

中文翻译：

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bcc 金属中的氢簇：原子起源和强应力各向异性

摘要 金属中的氢 (H) 损伤是许多工业应用的长期困扰。这种损伤的一种形式与 H 簇有关，其原子起源仍然存在争议，特别是对于非氢化物形成金属。在这项工作中，我们系统地研究了以 W、Fe、Mo 和 Cr 为代表的 bcc 金属中的 H 簇行为，结合第一性原理计算、原子和蒙特卡罗模拟。H 聚类已被证明在能量上是有利的，并且可以通过各向异性应力场强烈促进，由沿结晶方向之一的拉伸分量主导。我们表明，基于 H 形成体积张量的连续介质模型可以很好地预测应力效应，并且 H 聚类在边缘位错处在热力学上是可能的，在相当低的 H 浓度下形成纳米氢化物证明了这一点。此外，应力效应的各向异性在位错周围的纳米氢化物形态中得到了很好的反映，纳米氢化物以薄片状结构的形式生长，使一种张力最大化。特别是，拉伸分量最大化的型刃位错已被证明在促进 H 聚集方面非常有效，因此有望在 bcc 金属中的 H 聚集中发挥重要作用，这与最近的实验观察结果非常一致。这项工作明确和定量地阐明了应力对氢能量和氢聚集行为的各向异性性质，提供了对理解金属中氢引起的损伤至关重要的机械见解。应力效应的各向异性在位错周围的纳米氢化物形态中得到了很好的反映，纳米氢化物以薄片状结构的形式生长，使一种张力最大化。特别是，拉伸分量最大化的型刃位错已被证明在促进 H 聚集方面非常有效，因此有望在 bcc 金属中的 H 聚集中发挥重要作用，这与最近的实验观察结果非常一致。这项工作明确和定量地阐明了应力对氢能量和氢聚集行为的各向异性性质，提供了对理解金属中氢引起的损伤至关重要的机械见解。应力效应的各向异性在位错周围的纳米氢化物形态中得到了很好的反映，纳米氢化物以薄片状结构的形式生长，使一种张力最大化。特别是，拉伸分量最大化的型刃位错已被证明在促进 H 聚集方面非常有效，因此有望在 bcc 金属中的 H 聚集中发挥重要作用，这与最近的实验观察结果非常一致。这项工作明确和定量地阐明了应力对氢能量和氢聚集行为的各向异性性质，提供了对理解金属中氢引起的损伤至关重要的机械见解。纳米氢化物以薄片状结构的形式生长，使一种张力最大化。特别是，拉伸分量最大化的型刃位错已被证明在促进 H 聚集方面非常有效，因此有望在 bcc 金属中的 H 聚集中发挥重要作用，这与最近的实验观察结果非常一致。这项工作明确和定量地阐明了应力对氢能量和氢聚集行为的各向异性性质，提供了对理解金属中氢引起的损伤至关重要的机械见解。纳米氢化物以薄片状结构的形式生长，使一种张力最大化。特别是，拉伸分量最大化的型刃位错已被证明在促进 H 聚集方面非常有效，因此有望在 bcc 金属中的 H 聚集中发挥重要作用，这与最近的实验观察结果非常一致。这项工作明确和定量地阐明了应力对氢能量和氢聚集行为的各向异性性质，提供了对理解金属中氢引起的损伤至关重要的机械见解。与最近的实验观察结果非常一致。这项工作明确和定量地阐明了应力对氢能量和氢聚集行为的各向异性性质，提供了对理解金属中氢引起的损伤至关重要的机械见解。与最近的实验观察结果非常一致。这项工作明确和定量地阐明了应力对氢能量和氢聚集行为的各向异性性质，提供了对理解金属中氢引起的损伤至关重要的机械见解。