journal article·2011-06Open access

Ab initio study of the modification of elastic properties of α-iron by hydrostatic strain and by hydrogen interstitials

D. Psiachos, T. Hammerschmidt, R. Drautz

Acta Materialia· Volume 59· Issue 11

Abstract

The effect of hydrostatic strain and of interstitial hydrogen on the elastic properties of $α$-iron is investigated using \textit{ab initio} density-functional theory calculations. We find that the cubic elastic constants and the polycrystalline elastic moduli to a good approximation decrease linearly with increasing hydrogen concentration. This net strength reduction can be partitioned into a strengthening electronic effect which is overcome by a softening volumetric effect. The calculated hydrogen-dependent elastic constants are used to determine the polycrystalline elastic moduli and anisotropic elastic shear moduli. For the key slip planes in $α$-iron, $[1\bar{1}0]$ and $[11\bar{2}]$, we find a shear modulus reduction of approximately 1.6% per at.% H.
Source: openaire · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Hydrogen embrittlement and corrosion behaviors in metals · Microstructure and Mechanical Properties of Steels · Material Properties and Failure Mechanisms

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

References (74)

Show source-provided references
1. Oriani · Corrosion · 1987 · 43 · 39010.5006/1.3583875 ↗
2. Hirth · Metall Trans A · 1980 · 11 · 86110.1007/BF02654700 ↗
3. Troiano · Am Soc Metal · 1960 · 52 · 54
4. Oriani · Acta Metall · 1977 · 25 · 97910.1016/0001-6160(77)90126-2 ↗
5. Daw · Phys Rev Lett · 1983 · 50 · 128510.1103/PhysRevLett.50.1285 ↗
6. Tateyama · ISIJ Int · 2003 · 43 · 57310.2355/isijinternational.43.573 ↗
7. Tateyama · Phys Rev B · 2003 · 67 · 17410510.1103/PhysRevB.67.174105 ↗
8. Beachem · Metall Trans A · 1972 · 3 · 437
9. Birnbaum · Mater Sci Eng · 1994 · A176 · 19110.1016/0921-5093(94)90975-X ↗
10. Robertson · Eng Fract Mech · 2001 · 68 · 67110.1016/S0013-7944(01)00011-X ↗
11. Cottrell · Proc Phys Soc · 1949 · 62 · 4910.1088/0370-1298/62/1/308 ↗
12. Novak · J Mech Phys Solids · 2010 · 58 · 20610.1016/j.jmps.2009.10.005 ↗
13. Gerberich WW, Stauffer DD, Sofronis P. A coexistent view of hydrogen effects on mechanical behavior of crystals: HELP and HEDE. In: Somerday B, Sofronis P, Jones R, editors. Effects of hydrogen on materials, ASM international, Materials Park, OH, 2009, p. 38.
14. Barnoush · Acta Mater · 2010 · 58 · 527410.1016/j.actamat.2010.05.057 ↗
15. Kirchheim · Scr. Mater · 2010 · 62 · 6710.1016/j.scriptamat.2009.09.037 ↗
16. Jiang · Phys Rev B · 2004 · 70 · 06410210.1103/PhysRevB.70.064102 ↗
17. Sanchez · Phys Rev B · 2008 · 78 · 01411310.1103/PhysRevB.78.014113 ↗
18. Sanchez · Phys Rev B · 2010 · 81 · 13210210.1103/PhysRevB.81.132102 ↗
19. Taketomi · Acta Mater · 2008 · 56 · 376110.1016/j.actamat.2008.04.011 ↗
20. Ramasubramaniam · J Mater Res · 2008 · 23 · 275710.1557/JMR.2008.0340 ↗
21. Becquart · J Nucl Mater · 2010 · 403 · 7510.1016/j.jnucmat.2010.06.003 ↗
22. Clouet · Acta Mater · 2008 · 56 · 345010.1016/j.actamat.2008.03.024 ↗
23. Gavriljuk · Acta Mater · 2005 · 53 · 501710.1016/j.actamat.2005.07.028 ↗
24. Zhang · Metall Trans A · 1985 · 16A · 165510.1007/BF02663021 ↗
25. Ortiz · J Mater Sci · 1992 · 27 · 677710.1007/BF01165968 ↗
26. Kresse · Phys Rev B · 1993 · 48 · 1311510.1103/PhysRevB.48.13115 ↗
27. Kresse · Comput Mater Sci · 1996 · 6 · 1510.1016/0927-0256(96)00008-0 ↗
28. Kresse · Phys Rev B · 1996 · 54 · 1116910.1103/PhysRevB.54.11169 ↗
29. Blöchl · Phys Rev B · 1994 · 50 · 1795310.1103/PhysRevB.50.17953 ↗
30. Kresse · Phys Rev B · 1999 · 59 · 175810.1103/PhysRevB.59.1758 ↗
31. Perdew · Phys Rev B · 1991 · 45 · 1324410.1103/PhysRevB.45.13244 ↗
32. Vosko · Can J Phys · 1980 · 58 · 120010.1139/p80-159 ↗
33. Perdew · Phys Rev Lett · 1996 · 77 · 386510.1103/PhysRevLett.77.3865 ↗
34. Leung · Phys Rev B · 1991 · 44 · 292310.1103/PhysRevB.44.2923 ↗
35. Cerny · Phys Rev B · 2003 · 67 · 03511610.1103/PhysRevB.67.035116 ↗
36. Blöchl · Phys Rev B · 1994 · 49 · 1622310.1103/PhysRevB.49.16223 ↗
37. Murnaghan · Proc Natl Acad Sci USA · 1944 · 30 · 24410.1073/pnas.30.9.244 ↗
38. Herper · Phys Rev B · 1999 · 60 · 383910.1103/PhysRevB.60.3839 ↗
39. Clatterbuck · Acta Mater · 2003 · 51 · 227110.1016/S1359-6454(03)00033-8 ↗
40. Stixrude · Phys Rev B · 1994 · 50 · 644210.1103/PhysRevB.50.6442 ↗
41. Sha · Phys Rev B · 2006 · 73 · 10430310.1103/PhysRevB.73.104303 ↗
42. Rayne · Phys Rev · 1961 · 122 · 171410.1103/PhysRev.122.1714 ↗
43. Acet · Phys Rev B · 1994 · 49 · 601210.1103/PhysRevB.49.6012 ↗
44. Birch · Phys Rev · 1947 · 71 · 80910.1103/PhysRev.71.809 ↗
45. D.C. Wallace, Thermodynamics of crystals, Dover; 1972.10.1119/1.1987046 ↗
46. Barron · Proc Phys Soc · 1965 · 85 · 52310.1088/0370-1328/85/3/313 ↗
47. Guinan · J Phys Chem Solids · 1968 · 29 · 54110.1016/0022-3697(68)90131-5 ↗
48. Klotz · Phys Rev Lett · 2000 · 85 · 320910.1103/PhysRevLett.85.3209 ↗
49. Singh · Phys Rev Lett · 1998 · 80 · 215710.1103/PhysRevLett.80.2157 ↗
50. Kimizuka · Phys Rev B · 2007 · 75 · 05410910.1103/PhysRevB.75.054109 ↗
51. Wang · Phys Rev B · 1995 · 52 · 1262710.1103/PhysRevB.52.12627 ↗
52. Ma · Phys Rev B · 2002 · 66 · 02411310.1103/PhysRevB.66.024113 ↗
53. Marcus · J Phys: Condens Mater · 2002 · 14 · L52510.1088/0953-8984/14/28/101 ↗
54. Marcus · J Phys: Condens Mater · 2009 · 21 · 11540110.1088/0953-8984/21/11/115401 ↗
55. Caspersen · Phys Rev Lett · 2004 · 93 · 11550110.1103/PhysRevLett.93.115501 ↗
56. Sha · Phys Rev B · 2006 · 74 · 21411110.1103/PhysRevB.74.214111 ↗
57. Vocadlo · Faraday Discuss · 1997 · 106 · 20510.1039/a701628j ↗
58. Adams · J Appl Phys · 2006 · 10010.1063/1.2365714 ↗
59. Söderlind · Phys Rev B · 1996 · 53 · 1406310.1103/PhysRevB.53.14063 ↗
60. Beshers · J Appl Phys · 1965 · 36 · 29010.1063/1.1713892 ↗
61. Mehl · Phys Rev B · 1990 · 41 · 1031110.1103/PhysRevB.41.10311 ↗
62. Taketomi · Int J Mech Sci · 2010 · 52 · 33410.1016/j.ijmecsci.2009.09.042 ↗
63. Bockris · Acta Metall · 1971 · 19 · 120910.1016/0001-6160(71)90054-X ↗
64. Buck · Phys Status Solidi (a) · 1979 · 55 · 22310.1002/pssa.2210550125 ↗
65. Speich · Metall Trans · 1972 · 3 · 203110.1007/BF02643211 ↗
66. Hill · J Mech Phys Solids · 1963 · 11 · 35710.1016/0022-5096(63)90036-X ↗
67. Lunarska · Acta Metall · 1977 · 25 · 30510.1016/0001-6160(77)90149-3 ↗
68. Matsui · Mater Sci Eng · 1979 · 40 · 20710.1016/0025-5416(79)90191-5 ↗
69. Murakami · Metall Mater Trans A · 2010 · 41A · 254810.1007/s11661-010-0275-6 ↗
70. Hull · 2001
71. Hirth · 1992
72. Turley · J Phys D: Appl Phys · 1971 · 4 · 26410.1088/0022-3727/4/2/312 ↗
73. Hammerschmidt · Phys Rev B · 2007 · 75 · 23532810.1103/PhysRevB.75.235328 ↗
74. D. Psiachos, T. Hammerschmidt, R. Drautz; in press.