General-purpose neural network interatomic potential for the α -iron and hydrogen binary system: Toward atomic-scale understanding of hydrogen embrittlement

氢脆 材料科学 原子间势 晶界 氢原子 结晶学 原子单位 密度泛函理论 原子物理学 分子动力学 物理 计算化学 冶金 化学 量子力学 微观结构 群(周期表)
作者
Fan-Shun Meng,Jun-Ping Du,Shuhei Shinzato,Hideki Mori,Peijun Yu,Kazuki Matsubara,Nobuyuki Ishikawa,Shigenobu Ogata
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (11) 被引量:36
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.113606
摘要

To understand the physics of hydrogen embrittlement at the atomic scale, a general-purpose neural network interatomic potential (NNIP) for the $\ensuremath{\alpha}$-iron and hydrogen binary system is presented. It is trained using an extensive reference database produced by density functional theory (DFT) calculations. The NNIP can properly describe the interactions of hydrogen with various defects in $\ensuremath{\alpha}$-iron, such as vacancies, surfaces, grain boundaries, and dislocations; in addition to the basic properties of $\ensuremath{\alpha}$-iron itself, the NNIP also handles the defect properties in $\ensuremath{\alpha}$-iron, hydrogen behavior in $\ensuremath{\alpha}$-iron, and hydrogen-hydrogen interactions in $\ensuremath{\alpha}$-iron and in vacuum, including the hydrogen molecule formation and dissociation at the $\ensuremath{\alpha}$-iron surface. These are superb challenges for the existing empirical interatomic potentials, like the embedded-atom method based potentials, for the $\ensuremath{\alpha}$-iron and hydrogen binary system. In this study, the NNIP was applied to several key phenomena necessary for understanding hydrogen embrittlement, such as hydrogen charging and discharging to $\ensuremath{\alpha}$-iron, hydrogen transportation in defective $\ensuremath{\alpha}$-iron, hydrogen trapping and desorption at the defects, and hydrogen-assisted cracking at the grain boundary. Unlike the existing interatomic potentials, the NNIP simulations quantitatively described the atomistic details of hydrogen behavior in the defective $\ensuremath{\alpha}$-iron system with DFT accuracy.
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