Effect of atomic scale plasticity on hydrogen diffusion in iron; Quantum mechanically informed and on-the-fly kinetic Monte Carlo simulations

鉄における原子スケール塑性の水素拡散への影響; 量子計算ベース及び実行時計算によるキネティックモンテカルロシミュレーション

Ramasubramaniam, A.*; 板倉 充洋  ; Ortiz, M.*; Carter, E. A.*

Ramasubramaniam, A.*; Itakura, Mitsuhiro; Ortiz, M.*; Carter, E. A.*

金属中の結晶格子により発生する応力の影響下で拡散する水素の挙動について、高精度な量子計算の結果を取り入れた非構造格子上での実行時計算を含むキネティックモンテカルロシミュレーションの手法を開発した。このシミュレーションで得られた実効的拡散係数は近似的理論による予測とよく一致する。このモデルは亀裂,転位,粒界などの欠陥と水素の相互作用に関して空間的には原子レベルの解像度を持ちつつ時間的には非常に長いスケールでのシミュレーションを可能にするものである。

We present an off-lattice, on-the-fly kinetic Monte Carlo (KMC) model for simulating stress-assisted diffusion and trapping of hydrogen by crystalline defects in iron, which is supplemented by high-accuracy density functional theory calculations. Effective diffusivities obtained from KMC simulations are found to be in good agreement with theory. Our model provides an avenue for simulating the interaction of hydrogen with cracks, dislocations, grain boundaries, and other lattice defects, over extended time scales, albeit at atomistic length scales.