First-principles study on segregation energy and embrittling potency of hydrogen in Ni5(012) tilt grain boundary

ニッケル5傾角粒界中の水素の偏析エネルギーと脆化能(embrittling potency)に対する第一原理計算による研究

山口 正剛   ; 志賀 基之   ; 蕪木 英雄

Yamaguchi, Masatake; Shiga, Motoyuki; Kaburaki, Hideo

水素を含むニッケル5(012)傾角粒界と(012)表面の電子構造を、フルポテンシャル補強平面波法を用いて計算した。そして、水素が粒界/表面にあるとき、固体内部にあるときの結合エネルギーを計算した。Ni(111)表面に水素があるときの結合エネルギーも計算し、実験と比較したところよく一致した。水素が5(012)粒界/表面にあるときと、固体内部にあるときのエネルギー差を計算してそれを粒界/表面偏析エネルギーとし、2つの偏析エネルギーの差を脆化能(embrittling potency)として計算した。水素の偏析するサイトは全エネルギーの最小化から求めた。結果として、水素原子はバルク内部よりも5粒界にいる方が約0.3eV/H安定であり、5粒界よりもその破面である(012)表面にいる方が、さらに約0.3-0.4eV/H安定であることがわかった。粒界空孔が余分なNi原子で占有された場合、粒界エネルギーが約10%増加するが、その場合も計算を行った。この場合、粒界偏析エネルギーは減少して偏析が起こりにくくなることがわかった。加えて、水素原子が粒界,表面,バルク中にあるときのゼロ点振動エネルギーの計算も行ったが、結果はすべて0.12-0.16eV/Hの範囲に収まった。そのため、粒界/表面偏析エネルギーや脆化能に対するゼロ点振動エネルギーの影響は小さいと考えられる。

The electronic structures of 5(012) symmetrical tilt grain boundary (GB) and (012) free surface (FS) systems for nickel including hydrogen are calculated by the full-potential linearized augmented plane wave method with the generalized gradient approximation. The difference of the binding energies between the 5(012)GB/FS site and the inner bulk site is obtained as the GB/FS segregation energy, and the difference between GB and FS segregation energies as the embrittling potency energy. The segregation position of hydrogen atom is determined by the force minimization. We find that hydrogen atom prefers 5(012)GB to inner bulk energetically by about 0.3 eV/H, while it prefers (012)FS to the GB by about 0.3-0.4 eV/H. The open space at GB may be occupied by an additional interstitial Ni atom since it increases the GB energy by only about 10%. In this case, the GB segregation energy of hydrogen reduces, which makes the segregation difficult. The calculated zero-point energies of hydrogen at inner bulk, GB, and FS sites are within 0.12-0.16eV/H.