Skip to main content
Erschienen in: Metallurgical and Materials Transactions A 10/2018

10.07.2018

First-Principles Study on Hydrogen Diffusivity in BCC, FCC, and HCP Iron

verfasst von: K. Hirata, S. Iikubo, M. Koyama, K. Tsuzaki, H. Ohtani

Erschienen in: Metallurgical and Materials Transactions A | Ausgabe 10/2018

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

The hydrogen diffusion behavior in BCC, FCC, and HCP iron has been investigated by means of first-principles calculations. Diffusion coefficients were estimated quantitatively from the migration energy derived by the Nudged elastic band method, and phonon calculations including the vibrations of all atoms at every stable and metastable site. Our calculations on the BCC structure show good agreement with those in the previous report. In the FCC structure as well, the calculated diffusion coefficients are in good agreement with experimental data. Our results suggest that the consideration of the antiferromagnetic state in FCC is important for the reproduction of experimental results. For the HCP structure, although there was a lack of systematic experimental results, our calculations predict that the diffusion coefficient is smaller than that in the case of the FCC sample. In the HCP lattice, there are two diffusion paths: one parallel to the c-axis and the other in the c-plane. The direction and the diffusion coefficient can be controlled by the tuning of c/a, which is the ratio of the lattice constants.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat [1] M. Wang, E. Akiyama, K. Tsuzaki, Scripta Materialia 2005, vol.53(6), p.713-718.CrossRef [1] M. Wang, E. Akiyama, K. Tsuzaki, Scripta Materialia 2005, vol.53(6), p.713-718.CrossRef
2.
Zurück zum Zitat [2] D. Sasaki, M. Koyama, S. Hamada, H. Noguchi, Philosophical Magazine Letters, 2015, vol.95(5), p.260-268.CrossRef [2] D. Sasaki, M. Koyama, S. Hamada, H. Noguchi, Philosophical Magazine Letters, 2015, vol.95(5), p.260-268.CrossRef
3.
Zurück zum Zitat [3] H. Matsunaga, O. Takakuwa, J. Yamabe, S. Matsuoka, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2017, vol.375, 2098.CrossRef [3] H. Matsunaga, O. Takakuwa, J. Yamabe, S. Matsuoka, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2017, vol.375, 2098.CrossRef
4.
Zurück zum Zitat [4] P. Sofronis, R.M. McMeeking, Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1989, vol.37(3), p.317-350.CrossRef [4] P. Sofronis, R.M. McMeeking, Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1989, vol.37(3), p.317-350.CrossRef
5.
Zurück zum Zitat [5] D. Sasaki, M. Koyama, K. Higashida, K. Tsuzaki, H. Noguchi, International Journal of Hydrogen Energy, 2015, vol.40(31), p.9825-9837.CrossRef [5] D. Sasaki, M. Koyama, K. Higashida, K. Tsuzaki, H. Noguchi, International Journal of Hydrogen Energy, 2015, vol.40(31), p.9825-9837.CrossRef
6.
Zurück zum Zitat [6] T.P. Perng and C.J. Alstetter: Metall. Trans. A, 1987, vol. 18, pp. 123-134.CrossRef [6] T.P. Perng and C.J. Alstetter: Metall. Trans. A, 1987, vol. 18, pp. 123-134.CrossRef
7.
Zurück zum Zitat [7] T. Kanezaki, C. Narazaki, Y. Mine, S. Matsuoka and Y. Murakami: Int. J. Hydrogen Energ., 2008, vol. 33, pp. 2604-2619.CrossRef [7] T. Kanezaki, C. Narazaki, Y. Mine, S. Matsuoka and Y. Murakami: Int. J. Hydrogen Energ., 2008, vol. 33, pp. 2604-2619.CrossRef
8.
Zurück zum Zitat [8] M. Koyama, E. Akiyama, K. Tsuzaki and D. Raabe: Act. Mater., 2013, vol. 61, pp. 4607-4618.CrossRef [8] M. Koyama, E. Akiyama, K. Tsuzaki and D. Raabe: Act. Mater., 2013, vol. 61, pp. 4607-4618.CrossRef
9.
Zurück zum Zitat [9] K. Tsuzaki, K. Fukuda, M. Koyama and H. Matsunaga: Scr. Mater., 2016, vol. 113, pp. 6-9.CrossRef [9] K. Tsuzaki, K. Fukuda, M. Koyama and H. Matsunaga: Scr. Mater., 2016, vol. 113, pp. 6-9.CrossRef
10.
Zurück zum Zitat [10] M. Koyama and K. Tsuzaki: ISIJ Int., 2015, vol. 55, pp. 2269-2271.CrossRef [10] M. Koyama and K. Tsuzaki: ISIJ Int., 2015, vol. 55, pp. 2269-2271.CrossRef
11.
Zurück zum Zitat [11] M. Koyama, Y. Abe, K. Saito, E. Akiyama, K. Takai and K. Tsuzaki: Scr. Mater., 2016, vol. 122, pp. 50-53.CrossRef [11] M. Koyama, Y. Abe, K. Saito, E. Akiyama, K. Takai and K. Tsuzaki: Scr. Mater., 2016, vol. 122, pp. 50-53.CrossRef
12.
Zurück zum Zitat [12] D. E. Jiang and E. A. Carter: Phys. Rev. B, 2004, vol. 70, p. 064102.CrossRef [12] D. E. Jiang and E. A. Carter: Phys. Rev. B, 2004, vol. 70, p. 064102.CrossRef
13.
Zurück zum Zitat [13] H. Kimizuka, H. Mori and S. Shigenobu: Phys. Rev. B, 2011, vol. 83, p. 094110.CrossRef [13] H. Kimizuka, H. Mori and S. Shigenobu: Phys. Rev. B, 2011, vol. 83, p. 094110.CrossRef
14.
Zurück zum Zitat [14] D. D. Stefano, M. Mrovec and C. Elsässer: Phys. Rev. B, 2015, vol. 92, p. 224301.CrossRef [14] D. D. Stefano, M. Mrovec and C. Elsässer: Phys. Rev. B, 2015, vol. 92, p. 224301.CrossRef
15.
Zurück zum Zitat [15] L. Ismer, T. Hickel and J. Neugebauer: Phys. Rev. B, 2010, vol. 81, p. 094111.CrossRef [15] L. Ismer, T. Hickel and J. Neugebauer: Phys. Rev. B, 2010, vol. 81, p. 094111.CrossRef
16.
Zurück zum Zitat [16] A.V. Bakulin, T.I. Spiridonova, S.E. Kulkova, S. Hocker and S. Schmauder: Int. J. Hydrogen Energ., 2016, vol. 41, pp. 9108-9116.CrossRef [16] A.V. Bakulin, T.I. Spiridonova, S.E. Kulkova, S. Hocker and S. Schmauder: Int. J. Hydrogen Energ., 2016, vol. 41, pp. 9108-9116.CrossRef
17.
Zurück zum Zitat [17] Y. He, Y. Li, C. Chen and H. Yu: Int. J. Hydrogen Energ., 2017, vol. 42, pp. 27438-27445.CrossRef [17] Y. He, Y. Li, C. Chen and H. Yu: Int. J. Hydrogen Energ., 2017, vol. 42, pp. 27438-27445.CrossRef
18.
19.
Zurück zum Zitat [19] K.W. Kehr: Theory of the Diffusion of Hydrogen in Metals, in: G. Alefeld, J. Völkl (Eds.), Hydrogen in Metals I, Springer, Berlin, Heidelberg, 1978, pp. 197-226.CrossRef [19] K.W. Kehr: Theory of the Diffusion of Hydrogen in Metals, in: G. Alefeld, J. Völkl (Eds.), Hydrogen in Metals I, Springer, Berlin, Heidelberg, 1978, pp. 197-226.CrossRef
20.
Zurück zum Zitat [20] G. Henkelman, B.P. Uberuaga and H. Jónsson: J. Chem. Phys., 2000, vol. 113, p. 9901.CrossRef [20] G. Henkelman, B.P. Uberuaga and H. Jónsson: J. Chem. Phys., 2000, vol. 113, p. 9901.CrossRef
21.
Zurück zum Zitat [21] H. Jónsson, G. Mills and K. W. Jacobsen: in: B. J. Berne, G. Ciccotti, D. F. Coker (Eds.), Nudged elastic band method for finding minimum energy paths of transitions, Classical and Quantum Dynamics in Condensed Phase Simulations, World Scientific, Singapore, 1998, pp. 385-404.CrossRef [21] H. Jónsson, G. Mills and K. W. Jacobsen: in: B. J. Berne, G. Ciccotti, D. F. Coker (Eds.), Nudged elastic band method for finding minimum energy paths of transitions, Classical and Quantum Dynamics in Condensed Phase Simulations, World Scientific, Singapore, 1998, pp. 385-404.CrossRef
22.
Zurück zum Zitat [22] G. Kresse and J. Furthmuäller: Phys. Rev. B, 1996, vol. 54, p. 11169.CrossRef [22] G. Kresse and J. Furthmuäller: Phys. Rev. B, 1996, vol. 54, p. 11169.CrossRef
23.
Zurück zum Zitat [23] G. Kresse and J. Furthmuäller: Comp. Mater. Sci., 1996, vol. 6, p. 15.CrossRef [23] G. Kresse and J. Furthmuäller: Comp. Mater. Sci., 1996, vol. 6, p. 15.CrossRef
24.
Zurück zum Zitat [24] J. P. Perdew, K. Burke and M. Ernzerhof: Phys. Rev. Lett., 1997, vol. 78, p. 1396.CrossRef [24] J. P. Perdew, K. Burke and M. Ernzerhof: Phys. Rev. Lett., 1997, vol. 78, p. 1396.CrossRef
25.
26.
27.
Zurück zum Zitat [27] H.J. Monkhorst and J.D. Pack: Phys. Rev. B, 1976, vol. 13, p. 5188.CrossRef [27] H.J. Monkhorst and J.D. Pack: Phys. Rev. B, 1976, vol. 13, p. 5188.CrossRef
28.
Zurück zum Zitat [28] H. C. Herper, E. Hoffmann and P. Entel: Phys. Rev. B, 1999, vol. 60, p. 3839.CrossRef [28] H. C. Herper, E. Hoffmann and P. Entel: Phys. Rev. B, 1999, vol. 60, p. 3839.CrossRef
29.
Zurück zum Zitat [29] D. E. Jiang and E. A. Carter: Phys. Rev. B, 2003, vol. 67, p. 214103.CrossRef [29] D. E. Jiang and E. A. Carter: Phys. Rev. B, 2003, vol. 67, p. 214103.CrossRef
30.
Zurück zum Zitat [30] Z. Lu, W. Zhu, T. Lu and W. Wang: Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 2014, vol. 22, p. 025007.CrossRef [30] Z. Lu, W. Zhu, T. Lu and W. Wang: Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 2014, vol. 22, p. 025007.CrossRef
31.
Zurück zum Zitat [31] K. Parlinski, Z.Q. Li and Y. Kawazoe: Phys Rev Lett., 1997, vol. 78, pp. 4063-4066.CrossRef [31] K. Parlinski, Z.Q. Li and Y. Kawazoe: Phys Rev Lett., 1997, vol. 78, pp. 4063-4066.CrossRef
32.
Zurück zum Zitat [32] Y. Sakagami, R. Matsumoto, D. Alfè, D. Taketomi, T. Enomoto and N. Miyazaki: Trans. Mater. Res. Soc. Jpn., 2012, vol. 37, pp. 1–6.CrossRef [32] Y. Sakagami, R. Matsumoto, D. Alfè, D. Taketomi, T. Enomoto and N. Miyazaki: Trans. Mater. Res. Soc. Jpn., 2012, vol. 37, pp. 1–6.CrossRef
33.
Zurück zum Zitat H. Mehrer, ed.: Diffusion in solid Metals and Alloys, Landolt-Börnstein New Series, Group III, 69, Springer, Berlin, 1990, p. 529. H. Mehrer, ed.: Diffusion in solid Metals and Alloys, Landolt-Börnstein New Series, Group III, 69, Springer, Berlin, 1990, p. 529.
34.
Zurück zum Zitat S.A. Danilkin, D. Delafosse, H. Fuess, V.G. Gavriljuk, A. Ivanov, T. Magnin and H. Wipf (2002) Appl. Phys. A, vol. 74, pp. 992–994.CrossRef S.A. Danilkin, D. Delafosse, H. Fuess, V.G. Gavriljuk, A. Ivanov, T. Magnin and H. Wipf (2002) Appl. Phys. A, vol. 74, pp. 992–994.CrossRef
35.
Zurück zum Zitat [35] A. Machida, H. Saitoh, H. Sugimoto, T. Hattori, A. Sano-Furukawa, N. Endo, Y. Katayama, R. Iizuka, T. Sato, M. Matsuo, S. Orimo and K. Aoki: Nat. Commun., 2014, vol. 5, p. 5063.CrossRef [35] A. Machida, H. Saitoh, H. Sugimoto, T. Hattori, A. Sano-Furukawa, N. Endo, Y. Katayama, R. Iizuka, T. Sato, M. Matsuo, S. Orimo and K. Aoki: Nat. Commun., 2014, vol. 5, p. 5063.CrossRef
36.
Zurück zum Zitat [36] E. Wimmer, W. Wolf, J. Sticht, P. Saxe, C.B. Geller, R. Najafabadi and G.A. Young: Phys. Rev. B, 2008, vol. 77, p.134305.CrossRef [36] E. Wimmer, W. Wolf, J. Sticht, P. Saxe, C.B. Geller, R. Najafabadi and G.A. Young: Phys. Rev. B, 2008, vol. 77, p.134305.CrossRef
37.
Zurück zum Zitat [37] K. Cornell, H. Wipf, V.E. Antonov, T.E. Antonova, A.I. Kolesnikov, E.G. Ponyatovsky and B. Dorner: Pol. J. Chem., 1997, vol. 71, pp. 1792-1796. [37] K. Cornell, H. Wipf, V.E. Antonov, T.E. Antonova, A.I. Kolesnikov, E.G. Ponyatovsky and B. Dorner: Pol. J. Chem., 1997, vol. 71, pp. 1792-1796.
38.
Zurück zum Zitat [38] D. T. Pierce, J. A. Jiménez, J. Bentley, D. Raabe, C. Oskay and J. E. Witting: Act. Mater., 2014. vol 68, pp. 238-253.CrossRef [38] D. T. Pierce, J. A. Jiménez, J. Bentley, D. Raabe, C. Oskay and J. E. Witting: Act. Mater., 2014. vol 68, pp. 238-253.CrossRef
39.
Zurück zum Zitat [39] C. M. S. Gannarelli, D. Alfè and M. J. Gillan: Phys. Earth Planet. Inter., 2005, vol. 152, pp. 67-77.CrossRef [39] C. M. S. Gannarelli, D. Alfè and M. J. Gillan: Phys. Earth Planet. Inter., 2005, vol. 152, pp. 67-77.CrossRef
40.
Zurück zum Zitat [40] T. Sakai, E. Ohtani, N. Hirao and Y. Ohishi: Geophys. Res. Lett., 2011, vol. 38, p. L09302.CrossRef [40] T. Sakai, E. Ohtani, N. Hirao and Y. Ohishi: Geophys. Res. Lett., 2011, vol. 38, p. L09302.CrossRef
41.
Zurück zum Zitat [41] D. Antonangeli, L.R. Benedetti, D.L. Farber, G. Steinle-Neumann, A.L. Auzende, J. Badro, M. Hanfland and M. Krinch: Appl. Phys. Lett., 2008, vol. 92, p. 111911.CrossRef [41] D. Antonangeli, L.R. Benedetti, D.L. Farber, G. Steinle-Neumann, A.L. Auzende, J. Badro, M. Hanfland and M. Krinch: Appl. Phys. Lett., 2008, vol. 92, p. 111911.CrossRef
42.
Zurück zum Zitat [42] S. Hinata, R. Yanagisawa, S. Saito and M. Takahashi: J. Appl. Phys., 2009, vol. 105, p. 07B718.CrossRef [42] S. Hinata, R. Yanagisawa, S. Saito and M. Takahashi: J. Appl. Phys., 2009, vol. 105, p. 07B718.CrossRef
Metadaten
Titel
First-Principles Study on Hydrogen Diffusivity in BCC, FCC, and HCP Iron
verfasst von
K. Hirata
S. Iikubo
M. Koyama
K. Tsuzaki
H. Ohtani
Publikationsdatum
10.07.2018
Verlag
Springer US
Erschienen in
Metallurgical and Materials Transactions A / Ausgabe 10/2018
Print ISSN: 1073-5623
Elektronische ISSN: 1543-1940
DOI
https://doi.org/10.1007/s11661-018-4815-9

Weitere Artikel der Ausgabe 10/2018

Metallurgical and Materials Transactions A 10/2018 Zur Ausgabe

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.