EN  |  BG

За контакти
тел: (+359 2) 46-26-375
факс: (+359 2) 46-26-202
Адрес
София 1574
ул. "Шипченски проход" 67


Изследване на HELP механизма на водородно окрехкостяване чрез използване на съвременни високопроизводителни хибридни компютърни архитектури: моделни симулации и експерименталното им валидиране

To the page in English

Базова организация:
Институт по металознание, съоръжения и технологии с Център по хидро- и аеродинамика „Акад. Ангел Балевски“ при БАН

София 1574, бул. „Шипченски проход“ 67

Тел.: +359 2 46 26 220б

Факс: +359 2 46 26 202

 

Партньорски организации:
Институт по информационни и комуникационни технологии – БАН

ул. Акад. Г. Бончев, блок 25A
1113 – София, БЪЛГАРИЯ

Телефон: (02) 979 6611, (02) 870 8494
Факс: (02) 870 72 73

 

Ръководител на научния колектив
 

доц. д-р Ивайло Христов Кацаров

 

Резюме на проекта:
Водородното окрехкостяване (ВО) е най-разрушителният и непредсказуем, и същевременно най-слабо познатият, механизъм на разрушаване, на който са подложени структурните компоненти. Присъствието на водород води до значителна деградация на механичните свойства и оттам до загуба на структурна цялост на обширни области в металите и сплавите. Всички метали в някаква степен са податливи на ВО. Въпреки че вредният ефект на H върху механичните свойства на металите и сплавите е обширно проучван в продължение на почти 100 години, механизмите, които отговарят за водородното окрехкостяване, все още не са добре разбрани и има значителни разногласия в научната литература дори по отношение на процесите причиняващи ВО в прости, номинално чисти метали. В научната литература се предлагат множество механизми на окрехкостяването. Механизмите с най-солидна експериментална и теоретична основа са Hydrogen-enhanced decohesion (HEDE) и Hydrogen enhanced localised plasticity (HELP). Смята се, че HEDE се предизвиква от отслабване на междуатомните кохезиионни сили в местата с концентрация на Н. HELP предполага, че водородното окрехкостяване е резултат от повишената подвижност на дислокациите вследствие присъствието на водород. В рамките на HELP, процесът на разрушаване е по-скоро силно локализиран процес на пластично разрушаване, отколкото окрехкостяване. За разлика от HEDE, HELP е подкрепен с експериментални наблюдения показващи повишена мобилност на дислокациите и формиране на локализирани ивици на приплъзване (localised shear bands) в близост до върха на пукнатини в опитни образци с увеличено водородно съдържание. Въпреки това, физическите процеси които стоят зад увеличената дислокационна мобилност все още не са добре изучени. По-задълбоченото разбиране на HELP механизма налага по-детайлно изучаване отколкото може да бъде осигурено от феноменологията.

Основната цел на това предложение е да осигури по-задълбочено изучаване на HELP механизма на ВО чрез интегриране на моделиране, използващо най-съвременни многомащабни (multiscale) методи и експериментални техники, подходяащи за изследване на процесите на окрехкостяване. Това ще доведе до идентификация на режими и микроструктури, устойчиви на ВО и потенциално ще повлияе на проектирането на нови стомани и сплави за инженерни приложения. Ние ще използваме Fe за моделна система. Целта ще бъде постигната чрез изпълнение на следните задачи:

1. Разработване на многомащабни модели, които описват целият набор от процеси протичащи на различни нива и съдействащи за водородно предизвиканото увеличение на дислокационната мобилност в Fe.

2. Изучаване на влиянието на Н върху взаимодействията между дислокациите, локалното пренареждане на дислокациите и формиране на сплитания и клетъчна структура в Fe.

3. Валидиране на моделите чрез използването на набор от екцпериментални изследвания и техники за изследване на процесите на нано, мезо и макро нива.

4. Идентифициране на механични условия и дислокационни структури в Fe, които са устойчиви на   ВО и намиране на ефективни инструменти за техния контрол.

Резултатите от многомащабното моделиране и експерименталните изследвания ще се използват за анализиране и по-дълбоко разбиране на механизмите на ВО в Fe и стомани.

 

Цели на проекта, хипотези и подходи за постигането им

 

Основните цели на проектното предложение са да доведе до по-задълбочено разбиране на целия комплекс от физични явления, които участват в предизвиканата от водорода локализирана пластичност в Fe. Предложеният проект има за цел да използва и да развие най-съвременни методи в областта на численото моделиране на HELP механизма на ВО. Тази цел ще бъде постигната чрез разработване на многомащабна(multiscale) моделна рамка, която ще даде възможност за извличане и разпространение на информация, отнасяща се до критични микроструктурни характеристики от нано ниво до мезо диапазона.

Тъй като както теоретичните така и експерименталните изследвания в Fe показват, че влиянието на водорода върху редуцирането на еластичните взаимодействия между дислокациите е пренебрежимо малко, екранирането е малко вероятен механизъм на HELP в Fe, В това изследване ние предлагаме да бъде изучено влиянието на атмосферата от водородни атоми формирана около дислокациите върху тяхното поведение. Нашите очаквания са, че вследствие високата Н мобилност, поради ефектите на квантово тунелиране, дифузията на Н атоми води до редуциране на енергията на формиране на  двойките извивки и увеличена мобилност на дислокациите. В предложеното изследване ние ще моделираме движението на дислокациите съвместно с водородната дифузия, като вземем предвид и ядрените квантови ефекти. Това ще ни позволи да добием фундаментална информация за мобилността на дислокациите в Fe при различни водородни концентрации и механични условия.

Комбинация от фрактография и TEM изследвания на микроструктурата показват, че разтвореният водород подпомага локализирането на приплъзването (slip localisation) и развитието на интензивни ивици на приплъзване (slip bands), служещи като места за иницииране на разрушаване.  Все още не е добре разбрано как предизвиканата от водорода повишена дислокационна мобилност  води до локализиране на пластичните деформации и формиране на ивици на приплъзване на макро ниво. Един възможен механизъм] предполага, че ивиците на приплъзване се зараждат в резултат от локална реорганизацията на дислокациите и образуване на сплитания и клетъчна дислокационна структура. В такава клетъчна структура ще съществуват области, в които се индуцира по-голямо съпротивление за преминаването на мнозинството от дислокации и същевременно позволяват на определени дислокации да преминат лесно. Предполага се че ивиците на срязване в материал, който се деформира в резултат на активиране на няколко системи от мобилни дислокации, се инициират от такъв аномален регион, където деформацията се дължи на активиране на единствена система от мобилни дислокации (single slip). Предложеният проект има за цел да доведе до едно по-дълбоко разбиране на механизмите, които водят до реорганизация на дислокациите, образуване на сплитания и клетъчна структура в Fe в присъствие на H. Дислокационни сплитания или клетъчни стени се формират ако дислокациите от две системи, движещи се по пресичащи се равнини, са обект на привличащи еластични взаимодействия и при контакт образуват здраво съединение (junction) помежду си. Пресичането на две такива дислокации води до формиране на съединение ако реакцияата доведе до редуциране на тоталната енергия на системата.Ние ще изследваме ролята на H върху реакциите между доминиращите мобилни дислокации от две пресичащи се системи в Fe. Едно възможно редуциране на енергията на реакцията би довело до създаване (или повишаване на здравината) на съединения между дислокациите при повишена концентрация на H и така до нарастване на вероятността за образуване на сплитания и клетъчна структура.

Горните хипотези ще бъдат в центъра на вниманието на проектното предложение и ще бъдат проверени както теоретично, така и експериментално. Подробните цели са:

1           Изследване ефекта на водорода върху движението на 1/2[111] E-дислокация в Fe, индуцирано чрез формиране и миграция на двойки извивки и дифузия на Н в ядрото на дислокацията.

2           Разработване на набор от многомащабни (multiscale) модели, които отчитат пълния диапазон от процеси, които способстват за водородно предизвиканата мобилност на 1/2[111] S-дислокации в Fe.

3           Изследване влиянието на H върху локалното пренареждане на дислокацииите и образуването на сплитания и клетъчна структура в Fe.

4           Валидиране на тези модели с използване на широк спектър от ежпериментални техники и наблюдения в нано, мезо и макро мащаб.

5           Идентифициране на механични условия и дислокационни микроструктури в Fe, устойчиви на водородно окрехкостяване и намиране на ефективни инструменти за контрол на структурата и съответно свойствата на материала.

6           Използване на резултатите от разработените многомащабни подходи за моделиране, за да добием нови познания за механизмите на H окрехкостяване в Fe и стомани.

 

 

План на изследванията и на дейностите, изпълнявани от участниците и членовете на научния колектив

 

Изследването ще бъде фокусирано върху пo-задълбоченото изучаване на ефекта на Н за повишаване на дилокационната мобилност и на механизмите на ВО в Fe, което е съществено за разбиране на механизмите на ВО в стомани. Планираните изследвания ще бъдат извършени в две успоредни направления, теоретично и експериментално, които са свързани помежду си и допълват взаимно. Като цяло работният план е разделен на 6 работни пакета (РП). Първите три и РП5 обхващат теорeтични изследвания, а РП4 съдържа експерименталните дейности. РП6, освен научно, административно и финансово управление включва и дейности по разпространение на резултатите.

RPMD симулации на подвижността на E-дислокация при различни Н концентрации в Fe ще бъдат проведени в рамките на  РП1. Това е дейността изискваща най-мощни изчислителни ресурси, които са налични в Института за Информационни и Комуникационни технологии-БАН. За изучаване на ядрените квантови ефекти, резултатите от RPMD симулациите ще бъдат сравнени с подобни резултати получени с използване на класическата МД и с екпериментални изследвания на поведението на Е-дислокации при ниски температури.Продължителността на РП1 е от 1-ви до 33-ти месец. Ръководител на този ЕРП е доцент Невена Илиева.

Разработването на многомащабен модел, интегриращ моделиране на нано и мезо-нива има решаващо значение за симулирането и изучаването на взаимната свързаност на явленията контролиращи мобилността на винтова дислокация в присъствието на Н. Тези изследвания ще се извършват в рамките на  РП2. Работата по РП2 ще стартира с атомистични симулации. Ние ще приложим QTST във вариант използващ WLMC i RPMD за да пресметнем честотата с която Н атоми напускат капаните създадени от S-дислокация в Fe. Тези честоти са необходими за определяне на енергията на формиране на двойки извивки и скоростта на мигриране на извивките по продължение на дислокационната линия чрез използване на NEB метода.  Енергията на формиране на двойките извивки и скоростта на извивките са параметри, които се използват в kMC модела, описващ движението на S-дислокация при различни Н концентрации, механични условия и температури. Продължителността на РП2 е от 10-ти до 33-ти месец. Ръководител на този РП е доцент Ивайло Кацаров.

Ролята на Н за локалната реорганизация на дислокациите и формиране на сплитания от дислокации и клетъчна дислокационна структураще бъде изследвана в РП3.  Работата по този РП също изисква multi-scale моделиране.  Ние ще използваме атомистично симулиране за да изчислим енергиите на взаимодействие между Н атоми, дислокациите и съединенията формирани при типичните реакции на пресичане между мобилни дислокации в Fe. Енергиите на дислокациите и съединенията в чисто Fe ще се пресметнат в рамките на класическата еластична теория на дислокациите. Енергиите на взаимодействие Н атом-дислокация, пресметнати атомистично, ще се използват за определяне на корекциите на енергиите на дислокациите и съединенияата в присъствие на Н. Продължителността на този РП е от 7-ми до 33-ти месец и ще се ръководи от проф. Людмил Дренчев.

Експерименталната дейност в рамките на РП4 ще стартира с тестване на универсалната тест машина и електролитната клетка за катодно водородно зареждане. Първоначално, ще определим водородната концентрация в образците, съответстваща на различни плътности на катодния ток и при различни температури. Плътността на дислокациите, необходима за определяне на Н концентрация ще се определи чрез ТЕМ. Следващият етап обхваща провеждане на изотермални релаксационни изследвания на образци от чисто Fe и такива заредени катодно с водород и определяне на ефективния обем на активиране и коефициента на чувствителност към скоростта на деформация. Ефекта на Н върху формираната дислокационна структура ще се изучава с използване на ТЕМ.  Този РП ще продължи от 4-ти до 33-ти месец и ще се ръководи от чл. кор. Тони Спасов.

В рамките на проекта се планира изграждането на компютърен клъстер в ИМСТЦХА, който ще се използва предимно за паралелни молекулно-динамични и атомистични изчисления. Тази дейност е включена в РП5. Клъстера ще се състои от 4 мощни мултипроцесорни компютри и ще бъде изграден с опция за неговото надграждане и усъвършенстване. Компютърният клъстер ще бъде използван също за обучение на младите учени, участващи в проекта, на паралелно програмиране и работа с програмните продукти, необходими за реализация на планираните задачи. За да бъде облекчена работата на супер-компютъра, наличен в партньорската организация ИИКТ, и за да се спестят ресурси и компютърно време всички компютърни програми, които ще се разработят в рамките на проекта, ще бъдат създадени и тествани на компютърния клъстер. РП5 ще е с продължителност от 7-ми до 30-ти месец и ще се ръководи от проф. Людмил Дренчев.

 

Всички дейности, свързани с управлението на проекта са включени в РП6. Те се състоят от научно и административно управление, финансов контрол и разпространение на получените резултати. Лицата, които отговарят за този парет са доц. Ивайло Кацаров – за научната част, проф. Людмил Дренчев – за административна дейност и Мария Димитрова за финансово управление на проекта. Проф Людмил Дренчев ще отговаря също така за разпространението на резултатите, както е описано по-подробно в раздел 6. План за реализация и разпространение на резултатите от проекта. Продължителността на този работен пакет е от 1-ви до 36-ти месец.

 

Научни публикации по проекта

Peng Gong, Ivaylo H. Katzarov, John Nutter, Anthony T. Paxton and W. Mark Rainforth, The influence of hydrogen on plasticity in pure iron—theory and experiment, Scientific Reports 10:10209, 2020, https://doi.org/10.1038/s41598-020-66965-z, , SJR=3.998.

Haiyang Yu, Ivaylo H. Katzarov, Anthony T. Paxton, Alan C.F. Cocks and Edmund Tarleton, Influence of hydrogen core force shielding on dislocation junctions in iron, Phys. Rev. Materials 4, 033607, 2020, https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.033607, SJR=3.337.

Ivaylo Katzarov, Nevena Ilieva, and Ludmil Drenchev, Quantum effects on dislocation motion in pure and hydrogen charged Fe from ring-polymer molecular dynamics, Studies in Computational Intelligence, Springer (in print), SJR=0.215.

Участие в научни форуми

Ivaylo Katzarov, Effect of hydrogen atmosphere on the mobility of 1/2[111] screw dislocation in bcc Fe, International Conference of Metals, Ceramics and Composites, 25th–27th September 2019, Varna, Bulgaria, Conference Proceedings, p. 75.
Цялата информация

Ivaylo Katzarov, Nevena Ilieva, and Ludmil Drenchev, Anomalous Effective Diffusivity of Hydrogen in bcc-Fe from RPMD Simulations, Twelfth International On-Line Conference on Application of Mathematics in Technical and Natural Sciences 24-29 June 2020
Цялата информация

Ivaylo Katzarov, Nevena Ilieva, Ludmil Drenchev, Effective diffusivity of hydrogen in bcc-Fe: Anomalous character due to quantum proton fluctuations?, PROCEEDINGS OF NUMERICAL SOLUTION OF FRACTIONAL DIFFERENTIAL EQUATIONS AND APPLICATIONS, INTERNATIONAL WORKSHOP, NSFDE&A’20, SOZOPOL, BULGARIA, p.31, ISBN 978-619-7320-09-1 (eBook)
Цялата информация