奥氏体钢中氢的扩散与聚集行为的计算研究

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1、中图分类号：TG174.2单位代码：11414学号：2013316008题目奥氏体钢中氢的扩散与聚集行为的计算研究学科专业材料科学与工程研究方向石油石化装备用材料腐蚀行为博士生何洋指导教师陈长风教授卢贵武教授二○一七年五月First-principlestudyondiffusionandaggregationbehaviorofhydrogenatomsinaustenitesteelDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,Beijinginpartialfulfillmentoftherequirements

2、forthedegreeofDoctorofEngineeringByHeYang（MaterialScienceandEngineering）DissertationSupervisorProf.ChenChangfengandProf.LuGuiwuMay,2017博士学位论文独创性声明郑重声明，独立进行研宄工作所：本博士学位论文是作者个人在导师的指导下取得的成果，论文中不包含其他个人和集。除了文中特别加以标注和致谢的地方外体己经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研宄做出贡献的个人和集体，均己在

3、论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。丨叫冲作者签名：日期：ｆ长只丨导师签名：日期：产博士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定：，使用方式包括但不限于学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文作者如需公开出版

4、学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书一（面同意，且须以中国石油大学北京）为第署名单位。旬洋７〇ｒ］１．Ｕ作者签名：日期：！叫Ｕ导师签名：日期：－－Ｉ摘要摘要随着石油管线的服役条件越来越苛刻，高含硫介质所造成的腐蚀是影响管道输送可靠性和使用寿命的关键因素，其主要失效形式为氢致开裂和应力腐蚀开裂，为生产安全造成严重的威胁，因此一直以来氢脆是人们关注的重要问题。目前，针对氢脆问题人们提出多种机制试图解释这种现象，如氢致弱键理论，氢压理论，氢降低表面能理论，氢致相变理论以及氢致局部塑性变形理论等，上述用于描述氢脆的理论都有其适用范围和对象。

5、然而，从本质上来讲，氢脆现象是由于氢与金属产生交互作用而引起的，包括了环境介质在金属表面上的吸附和解离行为，氢原子进入金属材料后在基体中的扩散行为以及氢原子对金属变形行为的影响。第一性原理计算方法为研究氢与金属基体交互作用的微观机理提供了一种有效可行的手段。本文采用第一性原理计算方法研究了温度对水/Pt(111)界面和水/Fe(111)界面结构和性质的影响，对比了水分子在惰性金属和活泼金属表面的吸附行为，并研究了H2S分子在水/Fe(111)界面的吸附和解离机理；其次，研究了氢原子在α-Fe，γ-Fe和ε-Fe三种不同晶格中的扩散路径，并根据阿仑尼乌斯公式计算了氢原子在三

6、种晶格结构中的扩散系数；最后，研究了氢原子对γ-Fe层错的作用机理。主要得到以下结果。（1）水/Pt(111)界面中，低温条件下（10K和150K）Pt(111)面上的水分子吸附层保持冰状结构；在300K和450K条件下，水分子虽然在高度方向上发生紊乱，但仍在金属Pt表面的顶位吸附，形成六元环结构，表明Pt(111)表面水分子吸附层的热稳定性较好。随着温度的增加，更多的水分子通过H吸附于Pt表面，形成Pt-H共价键，使得Pt(111)表面功函数随温度的增加而增加。在此基础上，研究发现，在水/Pt(111)界面中，氧化还原中间产物OOH会优先选择在Pt(111)面的t-h-

7、b位置解离。（2）水/Fe(111)界面中，水分子更倾向于以水分子团簇的形式在Fe(111)表面吸附，在基态条件下水分子同样是以六元环冰状结构（H朝上结构）吸附于Fe(111)表面。随着温度的增加，水分子的运动能力增强，从150K开始水分子吸附层在高度方向上的有序性被打乱，450K时水分子在Fe(111)表面发生脱附，表明Fe(111)表面水分子吸附层的热稳定性更差，但是脱附前随着温度的增加，水分子吸附层的有效吸附距离减小，吸附作用增强。H2S分子在清洁Fe(111)表面分两步解离，其-II-摘要中一次解离（即由H2S解离为H