Self-ion irradiation effects on nanoindentation-induced plasticity of crystalline iron: A joint experimental and computational study
该研究结合纳米压痕、EBSD实验与MD、3D-DDD多尺度模拟，揭示5 MeV Fe2+自离子辐照下高纯铁的位错形核、塑性突跳与硬化机制。
2025-02-19 cond-mat.mtrl-sci
Ab-initio molecular dynamics simulation of hydrogen diffusion in $α$-iron
采用第一性原理原子分子动力学模拟，在微正则系综和正则系综下研究了间隙氢在$α$ -铁中的扩散。$θ=1/16 and 1/2 have been considered by locating interstitial hydrogen atoms at random positions in a $ 2 \times 2 \times 2$超晶胞之间的氢与铁比率。我们发现，平均最佳吸收位置和扩散势垒依赖于interestial的浓度。铁的德拜温度随间隙氢浓度的增加而单调下降，证明了大量扩散氢原子的存在显著削弱了铁-铁原子间相互作用势。
2011-06-02 cond-mat.mtrl-sci
Highly efficient and transferable interatomic potentials for α-iron and α-iron/hydrogen binary systems using deep neural networks
本文开发了一种兼具高可迁移性与40倍以上计算效率提升的铁-氢深度神经网络势，并利用大规模裂纹和多晶模型揭示了氢在裂纹尖端和晶界处促进脆性解理与沿晶断裂的原子尺度机制。
2023-11-30 cond-mat.mtrl-sci
The chemistry of embrittlement: How hydrogen dwindles cohesion in iron during fracture
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)（先进系统理解中心）；Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）
本研究探讨氢在铁断裂时削弱内聚力的化学机制，揭示静电排斥是导致钢脆化的核心因素。
2026-09-15 cond-mat.mtrl-sci
Electronic structure and total energy of interstitial hydrogen in iron: Tight binding models
本文应用紧束缚近似描述了纯磁性铁和含氢杂质磁性铁的电子结构和原子间力。我们评估的简单的典型的d-带的描述相比，一个非正交模型，包括s和d带。我们的模型的可转移性测试对已知的属性，包括氢的偏析能的空缺和铁的表面。在许多情况下，协议是非常好的，开辟了一条道路，量子力学原子模拟的影响，氢的机械性能。
2010-10-01 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen-induced hardening of a high-manganese twinning induced plasticity steel
研究Fe-26.9Mn-0.28C TWIP钢表层电化学充氢后的硬化行为，揭示氢通过晶界偏析改变位错形核、滑移及ε-马氏体形成机制。
2023-04-26 cond-mat.mtrl-sci
Cubic to hexagonal iron phase transition promoted by interstitial hydrogen
利用从头计算密度泛函理论研究了间隙氢对铁沿Bain途径从bcc到hcp相变的热力学作用。杂质产生内部应力场，该应力场可以通过晶格的四元畸变释放，促进bcc（铁磁）$\rightarrow$ fcc（受抑反铁磁）$\rightarrow$ hcp（铁磁）转变。铁的晶格转变伴随着强烈的磁重组和晶胞体积的突然变化，这可能是铁在吸氢时脆化和机械失效的原因之一。
2011-06-02 cond-mat.mtrl-sci
Strain gradient plasticity-based modeling of hydrogen environment assisted cracking
通过对钝裂纹尖端应力的有限元分析，强调有限应变和基于唯象和机理的应变梯度塑性（SGP）公式，结合对封闭裂纹尖端氢（H）溶解度的电化学评估和两个H-脱粘模型，预测氢环境辅助裂纹扩展特性。SGP提高了裂纹尖端的几何必要位错密度和流动应力，随着合金强度的增加而降低。升高的静水应力促进裂纹尖端损伤的高捕获的H浓度，它是必须考虑SGP在H开裂模型。阈值应力强度因子和H-扩散限制的第II阶段裂纹扩展速率的预测同意与实验数据的高强度奥氏体Ni-Cu高温合金（蒙乃尔K-500）和两个现代超高强度马氏体钢（AerMet 100和Ferrium M54）强调在0.6 M NaCl溶液中施加的电位范围内。对于Monel K-500，使用经典公式或梯度修正公式可以准确预测KTH与阴极电位的关系;但是，第二阶段的增长速率最好通过裂纹尖端应力的SGP描述来预测，该描述证明了1 μm的临界距离是合理的。对于钢，阈值和增长率最好使用高静水应力，超过6至8倍的合金屈服强度，并延伸到裂纹尖端前1 μm。这种应力几乎实现了三长度的现象学SGP配方，但额外的应力增强是必要的，可能是由于尖端的几何形状或滑移微观结构。
2017-11-16 cond-mat.mtrl-sci
Generalised boundary conditions for hydrogen transport at crack tips
我们提出了一个通用的框架，用于解决电化学扩散界面和模拟裂纹尖端附近的氢输运。通过诺伊曼型广义边界条件捕获吸附和吸收动力学。扩散模型包括捕获的作用，具有恒定或不断变化的陷阱密度，以及流体静力应力的影响。常规塑性和应变梯度塑性都被用来模拟固体的力学行为。显着的差异被发现在估计裂纹尖端氢浓度相比，规定一个恒定的氢浓度在裂纹表面的共同程序。
2020-07-27 cond-mat.mtrl-sci
The influence of hydrogen core force shielding on dislocation junctions in iron
氢对位错结的影响进行了分析，将氢相关的核心力节点为基础的离散位错动力学。氢降低了位错的核心能量，这降低了位错核心力的大小。我们称之为氢核心力屏蔽，因为它类似于氢弹性屏蔽，但发生在氢浓度低得多。在原子尺度上考虑位错核处原子间的非线性相互作用，对氢引起的位错核能量变化进行了标定，为模型提供了坚实的物理基础。氢被发现加强二元结和促进从三重结的位错的成核。微悬臂梁弯曲试验与氢芯力屏蔽的模拟表明，在结密度和随后的硬化的增加。这些模拟是在对于体心立方铁而言现实的小氢浓度下进行的。
2019-09-04 cond-mat.mtrl-sci
Impact of Angular Deviation from Coincidence Site Lattice Grain Boundaries on Hydrogen Segregation and Diffusion in Alpha-iron
重合位置晶格（CSL）晶界（GB）被认为是低能量的，耐晶间断裂，以及氢脆。然而，CSL-GB的行为通常与它们的角偏差混淆。在目前的研究中，从完美的σ 3（111）[1-10] GB的α-铁的氢扩散和GB的氢脆敏感性的角度偏差的影响进行了研究，通过分子静态和动力学模拟。利用Rice-Wang模型表明，理想的GB在氢饱和极限以下表现出最高的抗脱粘性。最后，沿理想GB的氢扩散率被观察到是最高的。
2018-10-06 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio study of the modification of elastic properties of alpha-iron by hydrostatic strain and by hydrogen interstitials
采用\textit{ab initio}密度泛函理论计算研究了静液压应变和间隙氢对$α$ -铁弹性性能的影响。我们发现，立方弹性常数和多晶弹性模量，以一个很好的近似线性降低与氢浓度的增加。这种净强度的降低可以分为一个加强电子效应，这是克服了软化体积效应。计算的氢依赖的弹性常数被用来确定多晶的弹性模量和各向异性的弹性剪切模量。对于$α$中的关键滑移面-铁、$[1\bar{1}0]$和$[11\bar{2}]$，我们发现剪切模量每at.%降低约1.6%。H.
2011-02-01 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen embrittlement controlled by reaction of dislocation with grain boundary in alpha-iron
金属在含氢环境中吸收的氢原子会导致在承载条件下使用的金属部件过早断裂。由于在实践中使用的金属大多是多晶的，晶界（GBs）可以在金属的氢脆中发挥重要作用。在这里，我们表明，GB与晶格位错的反应是多晶金属氢脆机理的关键组成部分。我们使用原子模型的方法来研究的力学响应的GB在α-铁与不同的氢浓度。分析表明，位错对晶界的碰撞和发射使晶界局部转变为原子结构更加无序的激活态，并引起局部应力集中。用氢原子分离的GB的活化可以极大地促进GB的脱粘。我们表明，这里提出的氢脆模型可以更好地解释许多实验观察。
2018-09-14 cond-mat.mtrl-sci
To crack, or not to crack: How hydrogen favors crack propagation in iron at the atomic scale
Zernike Institute for Advanced Materials, Faculty of Science and Engineering, University of Groningen（格罗宁根大学科学工程学院泽尔尼克高级材料研究所）；Engineering and Technology Institute Groningen (ENTEG), Faculty of Science and Engineering, University of Groningen（格罗宁根大学科学工程学院工程与技术研究所）
本研究通过分子动力学模拟揭示氢在铁中促进裂纹扩展的机制，发现氢扩散和表面能变化是导致脆化的关键因素，并提出改进的格里菲斯准则。
2025-12-14 cond-mat.mtrl-sci
The fate of water in hydrogen-based iron oxide reduction
气固反应是许多催化和氧化还原过程的基石，这些过程将支撑能源和可持续性转型。氢基氧化铁还原的具体案例是使全球钢铁行业实现无化石能源的基础，这是一个重要目标，因为铁生产是最大的单一工业二氧化碳排放源。我们对气固反应的认识不仅受到最先进技术的限制，这些技术可以深入研究反应固体的结构和化学细节，而且我们仍然错过了一个重要的反应伙伴，它定义了气相反应的热力学和动力学：气体分子。本文利用低温原子探针层析成像技术的最新进展，研究了700°C下氘气直接还原氧化铁时，铁-氧化铁界面上气相重水的准原位演化过程。这一发现为氢基还原FeO过程中形成的水的形成动力学和位置提供了新的见解，以及它与正在进行的氧化还原反应的相互作用。
2023-01-16 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen Diffusion and Trapping in α-Iron: The Role of Quantum and Anharmonic Fluctuations
考虑到质子的量子涨落以及晶格振动和氢跳跃的非谐性，我们研究了磁性α-铁中氢间隙原子的热力学和动力学.我们表明，氢在体心立方铁晶格中的扩散系数偏离强烈的阿克瑞斯行为在室温及以下。我们比较了量子过渡态理论，明确的环聚合物分子动力学在计算扩散率，我们发现，声子的作用是抑制，而不是增强，扩散率在中间温度下，通常的极化子图片的跳跃。然后，我们解决了捕获的氢作为一个原型的晶格缺陷的空缺。通过思想实验中的一系列步骤，每个步骤都涉及热力学积分，我们能够将质子与缺陷的结合自由能分成谐波和非谐波，经典和量子贡献。我们发现，约30%的典型的结合自由能的氢在铁的晶格缺陷占有限的温度效应，其中约一半来自量子质子波动。这对于热脱附和渗透实验与标准电子结构理论之间的比较具有巨大的意义。对于μ子自旋共振实验的解释，其影响甚至更大。
2018-03-01 cond-mat.mtrl-sci
The effect of Hydrogen atom on the Screw Dislocation Mobility in BCC Iron: A First-Principles Study
利用第一性原理计算研究了氢对体心立方（bcc）铁中螺位错运动的影响，结果表明，在一定的温度范围内，螺位错运动速度会增加.通过对有限尺寸效应的仔细估计，计算了不同氢位置和位错组态下螺位错与氢原子的相互作用能，并估算了氢原子与稳定螺位错组态的最强结合能为$256\pm32$ meV.这些结果被纳入一个线张力模型的弯曲位错线阐明氢的位错迁移过程中的效果。氢的软化和硬化效应，所造成的扭结形核焓和扭结捕获，分别进行了评估。预测了在较低的临界温度下软化和硬化行为之间的明显转变，这与实验观察定性一致。
2013-08-16 cond-mat.mtrl-sci
Quantum rate theory of the trapping of hydrogen and deuterium by a vacancy in iron
我们应用量子速率理论来计算过渡率的氢或氘原子逃逸到一个邻近的亚稳站点的铁空位陷阱。我们确定过渡率和相应的活化能在很宽的温度范围内，涵盖量子和经典为主的制度。我们发现量子效应导致跃迁速率活化能的增加和过渡态分界面的非常显著的再交叉。由于量子过渡态理论对质子转移速率的估计过高，超过了一个数量级，而对氘核转移速率的估计则过高了两倍。
2014-01-18 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen in $α$-iron: stress and diffusion
第一性原理密度泛函理论已被用来研究平衡几何形状，总能量，和扩散势垒的H作为间隙杂质吸收在$α$ -Fe。氢吸收时的内部应变/应力是理解优选吸收位点和扩散的关键因素。对于高浓度，H吸收附近的八面体网站有利于一个大的四面体畸变的BCC晶格。对于低浓度，H在四面体位点附近吸收，使存储在附近细胞上的弹性能量最小化。扩散路径也取决于浓度状态;氢在扭曲的BCT晶格中的扩散速度约为10倍。几个GPa的外部应力使势垒改变$\approx$ 10%，扩散速率改变$\approx$ 30%。
2011-06-02 cond-mat.mtrl-sci
Multiscale modeling of hydrogen diffusion in iron considering the effect of dislocations
Universidad Politécnica de Madrid（马德里理工大学）；IMDEA Materials Institute（IMDEA材料研究所）
本研究通过多尺度方法分析铁中氢扩散，考虑位错对扩散张量的影响，揭示位错通过微应力降低扩散率并破坏各向同性。
2025-06-25 cond-mat.mtrl-sci
First-principles calculations of iron-hydrogen reactions in silicon
控制硅材料被铁，特别是溶解的间隙铁（Fe $_{\mathrm{i}}$）污染是一个长期存在的问题，具有最近的发展和几个公开的问题。其中，我们有一个问题，氢是否可以帮助铁的扩散，或者是否可以产生大量的替代铁（Fe $_{\mathrm{s}}$）。使用密度泛函计算，我们探索的结构，形成能，结合能，迁移，和几个FeH复合物在Si中的电子能级。我们发现，弱结合的Fe $_{\mathrm{i}}$ H对的迁移势垒接近孤立的Fe $_{\mathrm{i}}$，施主能级为$E_{\mathrm{v}}+0.5$ ~eV。相反，Fe $_{\mathrm{i}}$ H $_{2}(0/+)$估计为$E_{\mathrm{v}}+0.33$ ~eV。这些结果表明，在$E_{\mathrm{v}}+0.32$ ~eV的空穴陷阱测量电容测量应分配给Fe $_{\mathrm{i}}$ H $_{2}$。Fe $_{\mathrm{s}}$ H相关配合物仅显示深受主活性，并且预期对$p$型Si中的少数载流子寿命几乎没有影响。对于$n$型硅，可以得出相反的结论.我们发现，虽然在H-自由材料Fe $_{\mathrm{i}}$缺陷具有较低的形成能量比Fe $_{\mathrm{s}}$，在氢化样品Fe $_{\mathrm{s}}$相关的缺陷变得相当稳定。这将解释归因于氢化Si中Fe $_{\math…
2018-06-29 cond-mat.mtrl-sci
Understanding the Influence of Hydrogen on BCC Iron Grain Boundaries using the Kinetic Activation Relaxation technique (k-ART)
本文利用k-ART方法研究氢对BCC铁中Σ37和Σ3晶界的影响，发现氢在晶界处扩散更慢，且氢饱和晶界会稳定晶界并平滑能量势垒面，为氢相关材料设计提供见解。
2024-07-03 cond-mat.mtrl-sci
Chemo-Mechanical Phase-Field Modeling of Iron Oxide Reduction with Hydrogen
用碳载体还原铁矿石是该行业最大的温室气体排放源之一，促使全球活动以氢基直接还原（HyDR）取代焦炭基高炉还原。氢还原铁氧化物已在实验和理论上进行了广泛的研究。该过程包括多种类型的化学反应、固态和缺陷介导的扩散（通过氧和氢物种）、几种相变以及大量体积收缩和机械应力积累。本文建立了化学-机械耦合相场（PF）模型，探讨了相变、化学反应、组分扩散、大弹塑性形变和微观结构演化之间的相互作用。该模型的能量本构关系是基于系统的自由能，这是校准的热力学数据库的帮助下。该模型已首次应用于经典的核-壳（方铁矿-铁）结构。模拟结果表明，从方铁矿到α-铁的相变可以导致高应力和快速减速的反应动力学。机械应力可以向系统贡献弹性能量，使得相变困难。因此，观察到缓慢的反应动力学和低金属化。然而，如果应力变得相对较高，则可以将自由能的形状从双阱情况转移到单阱情况，并加速转变。该模型已被进一步应用于模拟一个实际的氧化铁试样，其复杂的微观结构，其特征在于电子显微镜。模拟结果表明，在微观结构中的孤立的孔隙充满水蒸气在还原过程中，影响当地的反应气氛和动力学的效果。
2021-11-22 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen segregation around a straight screw dislocation in bcc iron
Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (LaSIE) - UMR CNRS 7356（环境工程科学实验室）；Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (LSPM) - UPR 3407（工艺与材料科学实验室）
通过神经网络势分子模拟和热力学框架，量化了bcc铁中螺位错核心结构、位点类型和浓度对氢结合能的影响，揭示了易核心构型在解释实验氢溶解度极限中的关键作用。
2026-06-26 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen in $α$ iron: modification of elastic properties and solubility in strain fields
采用\textit{ab initio}密度泛函理论研究了间隙氢对$α$ -Fe弹性性能的影响.我们发现，虽然整体强度性能降低H，效果主要是由于产生的局部体积膨胀。我们使用这些浓度依赖的弹性模量模型的均匀应变场对H的溶解度的影响，并作出外推的H-溶解度在空间变化的应变场的现实位错。我们发现，H被强烈捕获的位错的边缘和螺旋品种，导致一个显着的增加，在当地的H浓度附近的位错核心。的应变依赖性的解决方案的能量导致的H附近的位错核心的积累，以及我们的计算预测的弹性模量的减少，是一致的与许多实验研究表明，H附近的位错的捕获起着重要的作用，在铁和钢的脆化。
2012-09-13 cond-mat.mtrl-sci
A Laboratory Study of the Reduction of Iron Oxides by Hydrogen
为了减少钢铁工业，特别是炼铁工业的温室气体排放，正在考虑使用氢气代替一氧化碳作为还原气体生产DRI（直接还原铁）。在这种情况下，纯赤铁矿的还原氢进行了研究，在实验室规模，改变实验条件，并观察反应的速度和过程。所有的还原实验都在热天平中进行，并使用了补充表征方法，如扫描和透射电子显微镜，X射线衍射和穆斯堡尔谱。在550-900 ℃范围内升高温度的影响是加速反应;与一些文献结论相反，没有观察到减缓。一系列实验包括在完全转化之前中断运行，从而能够表征部分还原的样品。解释证实发生了三个连续的，而独立的还原步骤，通过磁铁矿和浮氏体铁，并说明了一个清晰的结构演化的样品。最后，通过比较常规粉末、纳米粉末和烧结样品，揭示了样品类型的影响。常规粉末被证明是最具反应性的，尽管其较大的晶粒尺寸，由于更多孔的最终结构。
2008-03-19 cond-mat.mtrl-sci
Local Electronic Structure of Interstitial Hydrogen in Iron Disulfide
化合物半导体FeS $_2$（自然为$n$型）中间隙氢的电子结构由μ子研究推断。注入的μ子（μ，一种伪氢）形成电子上不同的缺陷中心，这些缺陷中心通过超精细参数（$ω_{\rm hf}$）来识别。大量的证据表明，一个μ介子位于一个铁角四面体的中心，具有几乎各向同性的$ω_{\rm hf}$（Mu $_{\rm p}$），另一个以抗磁态存在（Mu $_{\rm d}$，$ω_{\rm hf}\simeq 0$）。它们对热搅动的响应表明Mu $_{\rm d}$中心伴随着由有效质量模型理解的浅能级（施主或受主），而Mu $_{\rm p}$中心的电子结构比Mu $_{\rm d}$更远离主体，形成更深的施主能级。这些观察结果表明，间隙氢也作为一个电子活性杂质在FeS $_2$。本文还在前人报道的FeS $_2$中氢扩散的基础上，讨论了Mu $_{\rm p}$的快速扩散导致形成复合缺陷态（Mu $^*_{\rm d}$，$T\le 100$ K）或运动窄化态（Mu $^*_{\rm p}$，$T\ge 150$ K）的可能性。
2018-08-19 cond-mat.mtrl-sci
The influence of oxygen and hydrogen adsorption on the magnetic structure of the ultrathin iron film on the Ir(001) surface
本文用从头算方法详细研究了Ir（001）表面吸附氧和氢的Fe单层膜的电子结构和磁序。结果进行了比较干净的Fe/Ir（001）系统，最近深入的研究表明，一个反铁磁秩序和复杂的磁性结构的强烈趋势。氧覆盖层的吸附显著增加了Fe层和Ir衬底之间的层间距离，而氢的影响要弱得多。我们发现，氧（和氢）的吸附导致的p（2 $\times $ 1）反铁磁顺序的Fe时刻，这也是支持的调查的基础上无序的本地矩状态。模拟的扫描隧道图像使用简单的Tersoff-Hamann模型暗示，建议的p（2 $\times $ 1）反铁磁秩序，甚至可以检测到非磁性提示。
2013-06-25 cond-mat.mtrl-sci
Influence of microstructure and atomic-scale chemistry on iron ore reduction with hydrogen at 700°C
钢铁年产量为18.5亿吨，在产量和环境影响方面是最重要的材料类别。虽然钢铁是可持续发展的推动者，例如通过轻量化设计，磁性设备和高效涡轮机，但其主要生产并非如此。3000年来，人们一直用碳从矿石中还原铁。今天，每吨钢产生2.1吨二氧化碳，占全球制造业二氧化碳排放量的30%，相当于全球二氧化碳排放量的6.5%。这些数字使钢铁制造成为最大的单一工业温室气体排放源。设想的未来工业路线，以减少这些二氧化碳排放的目标绿色氢作为还原剂。虽然该反应已经研究了几十年，但其动力学还没有得到很好的理解，特别是在浮氏体还原步骤期间，其比赤铁矿还原明显慢。该反应的许多限速因素由矿石的微结构和纳米结构以及局部化学组成。它们的量化允许知识驱动的矿石制备和工艺优化，使铁矿石的氢基还原在商业上可行，从而实现所需的大规模二氧化碳减排，以缓解全球变暖。在这里，我们报告了一个多尺度的结构和组成分析的铁还原赤铁矿与纯H2，达到近原子尺度。
2021-02-10 cond-mat.mtrl-sci
Hierarchical nature of hydrogen-based direct reduction of iron oxides
无化石燃料炼铁对于减少钢铁行业的大量人为二氧化碳排放是必不可少的。氢基直接还原（HyDR）是最具吸引力的绿色炼铁解决方案之一，具有高度的技术成熟度。控制这一过程的基本机制的特征在于几种化学（相变）、物理（传输）和机械（应力）现象的复杂相互作用。它们的相互作用导致了丰富的微观结构，其特征在于在长度上跨越几个数量级的缺陷的层次结构，包括空位、位错、内部界面和以裂纹和孔的形式的自由表面。这些缺陷都可以作为反应，成核和扩散的网站，塑造整体还原动力学。缺乏对这些动态演变的纳米/微观结构特征的作用和相互作用的清晰理解。更好地了解这些影响可以改善更有效的HyDR方法的基于微观结构的设计，对钢铁行业迫切需要的脱碳具有潜在的重大影响。
2022-01-29 cond-mat.mtrl-sci
Correlating Chemical Reaction and Mass Transport in Hydrogen-based Direct Reduction of Iron Oxide
本研究通过原位X射线散射与显微成像，直接测量10纳米磁铁矿颗粒在H2还原中FeO生成/消耗与团聚的关联，揭示初始反应各向异性及烧结后各向同性，为多尺度铁矿石还原模型提供关键实验依据。
2023-03-06 cond-mat.mtrl-sci
Self-foaming, Sintering-resistant Iron-Tungsten Powders Enable High-Cycle Thermochemical Hydrogen Storage
Northwestern University（西北大学）；The Hong Kong University of Science and Technology (Guangzhou)（香港科技大学（广州））
铁钨粉通过自发泡和抗烧结机制实现高循环热化学氢储存，可稳定储存42g H2并保持96%容量利用率。
2026-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Modelling hydrogen induced stress corrosion cracking in austenitic stainless steel
本文建立了一个模拟单晶奥氏体不锈钢变形和氢对应力腐蚀开裂影响的模型。该模型基于晶体塑性理论，将临界分解剪应力与晶体的塑性应变和强度联系起来。我们提出了一个解析表示的氢与材料的微观结构在变形过程中的相互作用，并模拟氢将在断裂前的空洞生长的影响。断裂前晶体机械性能的变化受晶体塑性变形时氢原子和位错系综的相互作用控制，并基于氢增强局部塑性（HELP）机制。通过分析氢对含孔洞材料力学性能的影响，考虑了氢对孔洞生长的影响。所提出的模型已经实现了使用用户材料（UMAT）在有限元软件（ABAQUS）的子程序的数值模拟结果与实验数据进行比较，并已得到验证。影响参数已被改变，以了解其影响和测试灵敏度。
2019-10-16 cond-mat.mtrl-sci
A fully quantum mechanical calculation of the diffusivity of hydrogen in iron using the tight binding approximation and path integral theory
我们提出的计算的自由能垒和扩散系数作为温度的函数的氢在bcc-Fe中的扩散。这是一个完全量子力学的方法，因为总能量景观计算使用一个新的自洽的，可转移的紧束缚模型的磁性铁中的间隙杂质。此外，氢原子核的量子力学处理，我们在这里比较两种方法在文献中都基于费曼路径积分制定的统计力学。我们发现，量子过渡态理论，允许更大的自由质子探索相空间给出的结果与实验更好的协议比替代的是基于固定质心计算的自由能垒。我们还发现，最近的质心分子动力学（CMD）计算的扩散率，采用经典的原子间势，而不是我们的量子力学紧束缚理论相比，结果更好的协议。特别是，我们首先发现，量子效应持续到更高的温度比以前认为的，相反，低温扩散率是小于CMD计算预测和大于经典过渡态理论预测。这将对未来氢捕获和扩散的建模和模拟产生影响。
2013-05-08 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen-stabilized multimodal high-index twin network in iron
University of Nevada, Reno（内华达大学里诺分校）；Rose-Hulman Institute of Technology（罗斯-赫尔曼理工学院）
本研究通过深度神经网络势和分子动力学模拟，发现氢稳定铁中{332}-{10 9 3}多模态孪晶网络并抑制去孪晶，导致后屈服硬化，揭示了中间相、氢和温度对孪晶路径和网络形成的控制作用。
2026-09-28 cond-mat.mtrl-sci
Green steel at its crossroads: hybrid hydrogen-based reduction of iron ores
钢铁和炼钢产生了全球约7%的二氧化碳排放量，这是由于使用碳来还原铁矿石。用氢代替碳作为还原剂提供了减少排放的途径。然而，使用可再生能源生产氢气仍然是一个瓶颈，因为要使每年18亿吨的粗钢产量可持续发展，每年至少需要约9700万吨绿色氢气。使炼铁行业更具可持续性的另一个基本方面在于绿色氢气和能源的最佳利用，从而减少成本高昂的过程中氢气回收工作。因此，我们在这里展示了如何通过两种技术的知识组合来显着提高铁矿石还原过程中的氢气和能源消耗效率：在低温下通过固态直接还原（DR）将矿石部分还原到动力学定义的程度，随后在还原等离子体下将其熔化并完全转化为铁（即通过氢等离子体还原，HPR）。结果表明，这两种技术之间的最佳过渡点发生在它们的氢利用效率相等的地方。我们发现，经由DR通过磁铁矿将赤铁矿还原成方铁矿是清洁且有效的，但是当铁在铁矿石球团的最外层形成时，其变得缓慢且低效。相反，HPR开始暴力和不稳定的电弧离域，但顺利和有效地处理半还原氧化物时。我们进行了混合还原实验，通过在700°C下通过DR将赤铁矿球团部分还原至38%的整体还原（使用标准热重分析系统），随后将它们转移至HPR，在电弧熔炼炉中用Ar-10%H2的气体混合物进行，以实现转化为液态铁。
2022-01-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Kinetics of hydrogen and vacancy diffusion in iron: A Kinetic Activation Relaxation technique (k-ART) study
该研究利用k-ART模拟BCC铁中H及VH$_x$、V$_2$H$_x$复合物的扩散，揭示其路径、势垒变化及氢俘获机制。
2024-06-18 cond-mat.mtrl-sci
Analysis of hydrogen permeation tests considering two different modelling approaches for grain boundary trapping in iron
电化学渗透试验是表征氢在金属中扩散的最常用方法之一。在氧化池中记录的氢原子的通量可以被拟合以获得表观扩散系数。该系数的大小对氢辅助的断裂或疲劳现象的动力学具有决定性影响，并且在很大程度上取决于微观结构陷阱中的氢保留。为了改进扩散系数的数值拟合，使用考虑两种方法的FEM模拟再现渗透试验：连续体1D模型，其中陷阱密度，结合能和输入晶格浓度是关键变量，并且明确地模拟了其中在晶界处捕获的多晶模型，包括与晶体内部不同的偏析因子和扩散系数。谷物结果表明，连续介质模型能捕捉到捕获延迟，但需要对连续介质模型进行修正，以模拟捕获延迟对稳态通量的影响。渗透行为可以根据与菲克扩散的偏离而根据不同的制度进行分类。多晶合成渗透显示出强烈的影响偏析的输出通量的大小。这种方法也能够模拟短路扩散现象。利用拟合的表观扩散系数比较了不同晶粒尺寸和晶界厚度下的记录通量与陷阱特征参数之间的关系。
2019-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio study of helium and hydrogen interactions in $α$-Fe
密度泛函理论（DFT）计算表明，铁中的氢和氦之间存在弱相互作用，与以前的报道相反，氢在氦中的强捕获。He和H占据低电子密度区域（如空位）的强烈偏好解释了这种差异，空位-He和空位-H结合力隐藏了He和H之间的排斥相互作用。此外，基于DFT计算的V $_n$ He $_m$ H $_p$团簇能量的速率理论模拟预测，正如在一些实验中观察到的那样，可以预期在辐照下铁中H和He之间的协同效应。
2012-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Effect of surface hydrogen on the anomalous surface segregation behavior of Cr in Fe-rich Fe-Cr alloys
已知Cr在稀Fe-Cr合金中的偏析行为是异常的，因为这些合金中Cr的表面偏析的主要障碍不是来自最顶部的表面层，而是来自次表面层，其中Cr的溶解能与最顶部的表面层相比吸热得多。铁铬合金是新一代核反应堆的候选结构材料。这些合金的表面将在这些反应器中暴露于氢或其同位素，尽管氢既不溶于Fe也不溶于Fe-Cr合金，但已知氢在铁表面上的吸附能不仅是放热的，而且相对较大。这清楚地提出了吸附在铁表面上的氢对铬向铁表面的偏析行为的影响的问题。在本文中，我们表明，我们的从头计算密度泛函理论计算的基础上，铁表面上的氢的存在下，导致一个大大减少的障碍铬偏析的最高表面层和次表层，但次表层仍然控制的障碍表面偏析。表面偏析屏障的这种降低是由于以复杂和协同方式起作用的Cr-H对的性质。Cr的存在增强了氢吸附的放热性质，这又导致表面偏析的屏障降低。这些结果应包括在铁铬合金的多尺度模拟。
2013-07-29 cond-mat.mtrl-sci
Influence of Hydrogen on Dislocation Relaxation in BCC Iron: Atomistic Mechanisms and Implications
Indian Institute of Technology Bombay（印度孟买理工学院）
研究揭示氢原子通过影响位错核生成和迁移势垒，调控bcc铁中非弹性响应和内部摩擦弛豫的原子机制，并建立氢含量与内部摩擦损失因子的线性关系，为氢检测提供新方法。
2026-02-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nonreciprocal charge transport in an iron-based superconductor with broken inversion symmetry engineered by a hydrogen-concentration gradient
University of Tokyo（东京大学）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；National Institute for Materials Science（物质材料研究机构）
通过氢浓度梯度工程实现铁基超导体中非互易电荷输运，揭示了反演对称性破坏的新途径。
2025-12-08 cond-mat.mtrl-sci
Combined ab initio and experimental study of phosphorus-based anti-wear additives interacting with iron and iron oxide
本研究结合从头算与实验，探究三种磷基抗磨添加剂在铁和赤铁矿表面的吸附与摩擦化学稳定性，揭示分子结构与氧化态对摩擦膜的关键作用，为高性能润滑剂添加剂设计提供原子级见解。
2025-10-29 cond-mat.mtrl-sci
Crystallographic control of hydrogen ingress in bcc-Iron: Insights from ab initio simulations
通过从头算模拟研究体心立方铁表面氢渗透，发现弱吸附位点作为低势垒通道入口，提出表面织构或取向控制以抑制氢脆的设计规则。
2025-05-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Modelling a new, low CO2 emissions, hydrogen steelmaking process
为了开发能够大幅减少钢铁行业CO2排放的突破性技术（ULCOS项目），研究了在直接还原竖炉中用纯氢还原铁矿石的方法。经过实验和建模研究，一个二维的，轴对称的稳态模型称为还原剂被开发来模拟一个逆流移动床反应器中，赤铁矿球团还原纯氢。该模型是基于有限体积法的气体和固体物质的局部质量，能量和动量平衡的数值解。在全局炉模型中包括单个球团子模型，以使用加性反应时间的概念来模拟该过程中涉及的连续反应（赤铁矿->磁铁矿->方铁矿->铁）。考虑了颗粒尺度上的传质和可能的铁烧结的不同步骤。动力学参数来自还原实验中进行的热天平炉，在不同的条件下，使用小的赤铁矿立方体形状的工业球团。还进行了固体表征以进一步理解微观结构演变。第一个结果表明，与CO反应相比，使用氢气加速了还原，使得有可能设计出比当前MIDREX和HYL小得多的氢操作轴式反应器。在全球范围内，基于这种新工艺的氢炼钢路线在技术和环境方面都具有吸引力。二氧化碳排放量将减少80%以上。它的未来与氢经济的出现有关。
2014-02-07 cond-mat.mtrl-sci
Comparison of hydrogen diffusivities measured by electrochemical permeation and temperature-programmed desorption in cold-rolled pure iron
用渗透和解吸方法研究了氢在冷轧纯铁中的扩散系数。电化学充电，电渗透和热脱附光谱（TDS）的实验进行。首先，建立了充电电流与氢气浓度的关系。其次，在22 ° C、40 ° C和67°C下进行渗透实验以量化扩散率对温度的依赖性。最后，通过使用两种类型的解吸实验和Fick定律来估计扩散率：（一）“静止时间”法，通过该方法，我们测量在室温下保持不同时间的样品的氢含量，和（二）在22至80°C的温度范围内的等温解吸实验，拟合所得解吸速率对时间的曲线。等温解吸和渗透的方法之间获得良好的协议，所观察到的差异进行了讨论和合理化。此外，冷轧纯铁的测量扩散率值也被发现是在文献中报道的那些。这项工作表明，等温解吸实验是一种方便的方法来确定在很宽的温度范围内的氢扩散率，促进了新的TDS系统与快速加热速率。
2021-12-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Sustainable steel through hydrogen plasma reduction of iron ore: process, kinetics, microstructure, chemistry
钢铁和炼钢是最大的单一工业二氧化碳排放源，占全球二氧化碳排放总量的6.5%。这一事实挑战了目前实现低碳钢生产的技术，并符合到2050年左右将所有二氧化碳排放量大幅减少80%的要求。因此，必须采用替代还原技术从矿石中提取铁。氢基直接还原已被探索作为一种可持续的途径，以减轻CO2的排放，其中还原动力学的中间氧化物产物FexO的方铁矿到铁是限速步骤的过程。总反应具有吸热净能量平衡。基于H等离子体的还原可能提供有吸引力的替代方案。在这里，我们提出了一个关于使用H等离子体还原赤铁矿的研究。在几个中间状态的演变，化学成分和相变进行了研究。我们发现，赤铁矿还原动力学取决于初始输入质量和电弧功率之间的平衡。对于一个优化的输入质量电弧功率比，完全减少，在15分钟内获得的H等离子体暴露。浮氏体还原也是完全还原的限速步骤。尽管如此，还原反应是放热的，并且其速率与基于H的直接还原中发现的速率相当。化学和微观结构分析表明，脉石元素分区的剩余氧化物区域，探测能量色散光谱和原子探针断层扫描。在枝晶间的铁橄榄石域，在方铁矿/铁异质界面和主要固化的氧化物颗粒内的Fe观察到Si富集。然而，随着还原的进行，这些元素逐渐从样品中除去，使得最终的铁产品几乎不含与脉石有关的杂质。
2022-08-01 cond-mat.mtrl-sci
Fe-H melting curve below 3 GPa: Implications for hydrogen in the lunar core
The University of Tokyo（东京大学）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；Zhejiang University（浙江大学）
研究通过高压熔化实验和X射线衍射测定铁-氢系统在氢饱和条件下的熔化曲线，发现氢在液态铁中溶解度随压力增加而增强，推测月球核中氢含量可能达1.2 wt%，解释了月球核密度缺陷。
2026-04-14 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci
Quantum dynamics of hydrogen in iron-based superconductor LaFeAsO0.9D0.1 measured with inelastic neutron spectroscopy
非弹性中子散射进行了铁基超导体LaFeAsO 0.9D0.1，其中大部分D（氘）取代氧，而进入间隙网站的一小部分。通过第一性原理计算，我们描述了间隙网站D（和H轻微混合）与四个等效的潜在的最小值。低于超导转变温度Tc = 26 K，新的激发出现在5-15 meV的范围内，而它们是缺席的参考系LaFeAsO 0.9F 0.1。14.5 meV和11.1 meV的强激发分别在15 K和20 K附近迅速加宽，其中每个能量变得相当于超导能隙的两倍。强激发归因于量子振动，或氢的带运动，只有当潜在的最小值的数量大于2时才会出现。
2019-06-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
A nuclear-quantum-corrected machine-learning potential reveals quantum-enhanced hydrogen segregation at general grain boundaries in alpha-iron
Nippon Steel Corporation（日本钢铁株式会社）
该研究开发核量子修正的机器学习势NQC-PACE，通过巨正则模拟发现α-铁一般晶界处氢偏聚因核量子效应显著增强，为含轻元素量子效应的材料大规模分析提供了方法
2026-08-18 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Mesoscale Model for Predicting Hydrogen Damage in Face Centre Cubic Crystals
采用基于晶体塑性的有限元方法研究了FCC单晶在氢化和非氢化环境中不同应力状态和晶体取向对加载方向的影响。模拟已经进行了各种应力三轴性，洛德参数，晶体取向和氢浓度。观察到晶体取向对氢对塑性形变和空隙生长的影响具有不同的效果。在陷阱中的氢分布在变形过程的各个阶段也被发现的晶体取向的影响。从分析中，归一化空隙率和等效应变之间的解析关系已被推导出来。
2021-07-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Simulation of hydrogen permeation through pure iron for trapping and surface phenomena characterisation
需要能够预测氢在应力集中区和裂纹尖端附近的局部积聚的数值模型，以防止和减轻钢中的氢辅助断裂。为了准确模拟氢的输运过程，通常需要通过电渗透试验来表征金属中的俘获参数。为了研究渗透过程中的晶粒尺寸的影响和晶界捕获，两种建模方法进行了探索;一个一维有限元模型，包括陷阱密度和结合能作为输入参数和多晶模型的基础上分配的较低的扩散率和溶解度的晶界。纯铁样品经过两种不同的热处理-950 ℃ 40分钟和1100 ℃ 5分钟-进行测试，应用三个连续的上升渗透步骤和三个衰减步骤。实验结果表明，由于晶界捕获，更细的晶粒组织促进扩散延迟。陷阱密度和结合能的测定通常的方法被重新考虑，在限制稀释和饱和的情况下被认为是。为此，表观扩散系数拟合，包括边界条件的影响，并提供恒定浓度与恒定通量假设的比较结果。晶粒边界的特点是纯铁与37.8和39.9千焦/摩尔之间的结合能和低陷阱密度，但它的数值表明，饱和或稀释的假设并不总是验证，和一个单一的确定捕获参数需要更广泛的充电条件渗透。研究了表面参数，即充电电流、复合电流和表面浓度之间的关系。
2020-10-26 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math.NA
Interatomic Fe-H potential for irradiation and embrittlement simulations
氢在铁和铁合金中的行为是物理学和材料科学许多领域的研究热点。为了实现对含Fe-H相互作用体系的大规模分子动力学模拟，我们基于密度泛函理论计算，发展了Tersoff-Brenner形式的Fe-H相互作用势.所得到的解析势不仅适用于模拟Fe中的H，也适用于模拟小的FeH分子，而且可以直接与我们之前构建的不锈钢Fe-Cr-C体系的解析势相结合。这将允许模拟，例如，碳氢化合物分子化学在钢表面上的应用。在目前的工作中，我们施加的潜力来模拟氢致脆化在单晶体铁和铁双晶体与晶界。在这两种情况下，氢被发现软化材料。
2016-04-11 cond-mat.mtrl-sci
Laser Shock Peening in Hydrogen Environments: Coupled Stress Transport Trapping Mechanisms and Application Gaps
HiLASE Centre, Institute of Physics, Czech Academy of Sciences（捷克科学院物理研究所 HiLASE 中心）
本综述将激光冲击强化视为氢环境中受耦合应力与氢输运捕获机制调控的表面层设计策略，指出压缩残余应力可抑制氢致裂纹，并识别出应力-缺陷结构与氢辅助疲劳裂纹扩展缺乏定量关联及冲击韧性数据缺失两大应用缺口。
2026-09-09 cond-mat.mtrl-sci
