요약본 (Summary):
This paper aims to provide a deeper understanding of hydrogen grain boundary (GB) interactions using full-field representative volume element (RVE). The phase-field method is chosen as an appropriate numerical tool for representing GBs. A novel fully-kinetic formulation for hydrogen diffusion and GB trapping was presented, which is compatible with the phase-field based RVEs.
The authors used gradient occupancy boundary conditions in both constant and gradient cases to simulate hydrogen uptake and permeation. They found that increasing Egb (trap-binding energy) led to an increase in hydrogen GB occupancy and flux along the GBs. In permeation simulations, Dgb (GB diffusivity) was a decisive factor for retaining hydrogen at the GBs compared to Egb.
The study highlights the cooperation between diffusion and trapping in increasing the hydrogen flux, which is crucial for understanding the HEDE mechanism and handling hydrogen-microstructure interactions. The use of full-field mesoscale models based on phase-field methods can provide deeper insights into these complex processes by locally resolving hydrogen microstructure interactions.
이 논문은 풀 필드 대표 부피 요소 (RVE)를 사용한 수소 입자 경계 (GB) 상호 작용에 대한 더 깊은 이해를 제공하는 것을 목표로한다. 위상 필드 방법은 GBS를 나타 내기위한 적절한 수치 도구로 선택됩니다. 수소 확산 및 GB 트래핑을위한 새로운 완전성 제제가 제시되었으며, 이는 위상 필드 기반 RVE와 호환되었다.
저자는 상수 및 기울기 사례에서 구배 점유 경계 조건을 사용하여 수소 흡수 및 투과를 시뮬레이션했습니다. 그들은 EGB (트랩 결합 에너지)가 증가함에 따라 GBS를 따라 수소 GB 점유 및 플럭스가 증가한 것으로 나타났습니다. 투과 시뮬레이션에서, DGB (GB 확산 성)는 EGB와 비교하여 GBS에서 수소를 유지하기위한 결정적인 요소였다.
이 연구는 수소 플럭스 증가에서 확산과 트래핑 사이의 협력을 강조하며, 이는 HEDE 메커니즘을 이해하고 수소 마이크로 구조 상호 작용을 처리하는 데 중요합니다. 위상 필드 방법을 기반으로 한 풀 필드 메조 스케일 모델을 사용하면 수소 미세 구조 상호 작용을 국부적으로 해결함으로써 이러한 복잡한 공정에 대한 더 깊은 통찰력을 제공 할 수 있습니다.
Excerpt from PDF:
Modeling the effect of grain boundary diffusivity and trapping on hydrogen transport using a phase-field compatible formulation Published in: International Journal of Hydrogen Energy 55 (2024) 1445–1455 Abdelrahman Hussein∗1, Byungki Kim2, Tom Depover1, and Kim Verbeken1 1Department of Materials, Textiles and Chemical Engineering, Ghent University, Technologiepark 46, B-9052 Ghent, Belgium 2School of Mechatronics Engineering, Korea University of Technology, Cheonan, Chungnam 31253, Republic of Korea Abstract Hydrogen grain boundary (GB) trapping is widely accepted as the main cause for hydrogen induced intergranular failure. Several studies were conducted to unveil the role of GBs on hydrogen transport; however, a clear understanding is yet to be attained. This is due to the limitations of the state-of-the-art experimental procedures for such highly kinetic processes. In this study, we aim at providing a deeper understanding of hydrogen-GB interactions using full-field representative volume element (RVE). The phase-field method is chosen for generating RVEs, since it is the an appropriate numerical tool to represent GBs. A novel fully-kinetic formulation for hydrogen diffusion and GB trapping is presented, which is compatible with the phase-field based RVEs. GB diffusivity (Dgb) and trap-binding energy (Egb) were used as parameters to understand the interactions between diffusion and GB trapping. Uptake and permeation simulations were performed with constant and gradient occupancy boundary conditions respectively. In both cases, increasing Egb, increased the hydrogen GB occupancy. The permeation simulations showed that the hydrogen flux along the GBs increased with increasing both, Dgb and, surprisingly, Egb. Since trapping increases the hydrogen occupancy along GBs, it also increases the occupancy gradients, resulting in a higher flux. This led to the conclusion that, in the case of an external occupancy gradient, GB trapping and diffusion cooperate, rather than compete, to increase the hydrogen flux. On the other hand, the decisive factor for the retention of hydrogen at the GBs in permeation simulations was Dgb rather than Egb. 1 Introduction Hydrogen embrittlement (HE) is one of the long-standing problems for structural materials. The topic is gaining increasing momentum driven by the quest for a sustainable energy carrier. One of the challenges in handling hydrogen is that it can negatively impact the integrity and durability of the infrastructure used in storage and transport, increasing the risk of catastrophic failure [1, 2, 3, 4]. The complexity of HE analysis lies in the multitude of hydrogen-microstructure interactions. Interface and GB trapping is believed to be the most important factor leading to the hydrogen enhanced decohesion damage mechanism (HEDE), which is the term describing the infamous hydrogen mediated intergranular damage. As such, understanding the equilibrium and kinetics of hydrogen-GB trapping is key to understanding the HEDE mechanism [5]. Including hydrogen trapping effects to Fick’s second law of diffusion [6] was achieved in 1963 by McNabb and Foster [7]. In 1970, Oriani [8] presented the thermodynamic equilibrium between hydrogen in lattice and trapping sites, which is a form of the McLean isotherm. Under the postulate of local equilibrium, i.e. very fast trapping kinetics, and low hydrogen lattice solubility, a simpler equation than that …더보기
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번역 (Translation):
발표 된 위상 필드 호환 제제를 사용하여 곡물 경계 확산 및 수소 수송에 대한 수소 수송에 미치는 영향을 모델링 : International Journal of Hydrogen Energy 55 (2024) 1445-1455 Abdelrahman Hussein * 1, Byungki Kim2, Tom Depover1 및 Kim Verbeken1 1 1 1 1 1 1 1 1 회 B-9052 GHENT, 벨기에, 벨기에, 한국 공과 대학, Cheonan, Chungnam 31253, Mechatronics Engineering, Mechatronics Engineering의 2School, Chungnam 31253, 공화국 추상 수소 입자 경계 (GB) 트래핑은 수소 유도 간 부전의 주요 원인으로 널리 받아 들여지고 있습니다. 수소 수송에 대한 GBS의 역할을 공개하기 위해 몇몇 연구가 수행되었다; 그러나 명확한 이해는 아직 달성되지 않았습니다. 이는 이러한 동역학 과정에 대한 최첨단 실험 절차의 한계 때문입니다. 이 연구에서 우리는 풀 필드 대표 부피 요소 (RVE)를 사용하여 수소 GB 상호 작용에 대한 더 깊은 이해를 제공하는 것을 목표로합니다. 위상 필드 방법은 RVE를 생성하기 위해 선택됩니다. GBS를 나타내는 적절한 수치 도구이기 때문입니다. 수소 확산 및 GB 트래핑을위한 새로운 완전성 제제가 제시되며, 이는 위상 필드 기반 RVE와 호환됩니다. GB 확산 성 (DGB) 및 트랩 결합 에너지 (EGB)를 확산과 GB 트래핑 사이의 상호 작용을 이해하기위한 파라미터로 사용 하였다. 흡수 및 투과 시뮬레이션은 각각 일정한 및 그라디언트 점유 경계 조건으로 수행되었다. 두 경우 모두 EGB 증가는 수소 GB 점유율을 증가시켰다. 투과 시뮬레이션은 GBS를 따른 수소 플럭스가 DGB 및 놀랍게도 EGB 모두 증가함에 따라 증가 함을 보여 주었다. 트래핑은 GBS를 따라 수소 점유율을 증가시키기 때문에 점유 구배가 증가하여 플럭스가 더 높습니다. 이로 인해 외부 점유 구배의 경우 수소 플럭스를 증가시키기 위해 경쟁하기보다는 GB 트래핑 및 확산이 협력한다는 결론이 이루어졌다. 반면에, 투과 시뮬레이션에서 GBS에서 수소를 유지하기위한 결정적인 요인은 EGB보다는 DGB였다. 1 소개 수소 손화 (HE)는 구조 재료의 오랜 문제 중 하나입니다. 이 주제는 지속 가능한 에너지 운송 업체에 대한 탐구로 인해 추진력이 증가하고 있습니다. 수소 취급의 과제 중 하나는 저장 및 운송에 사용되는 인프라의 무결성과 내구성에 부정적인 영향을 미쳐 치명적인 실패의 위험을 증가시킬 수 있다는 것입니다 [1, 2, 3, 4]. HE 분석의 복잡성은 수많은 수소 마이크로 구조 상호 작용에있다. 인터페이스 및 GB 트래핑은 수소 향상된 해독 손상 메커니즘 (HEDE)을 초래하는 가장 중요한 요소로 여겨지며, 이는 악명 높은 수소 매개 변수 간 손상을 설명하는 용어입니다. 따라서, 수소 GB 트래핑의 평형과 동역학을 이해하는 것은 HEDE 메커니즘을 이해하는 데 중요하다 [5]. Fick의 제 2 법칙에 대한 수소 트래핑 효과를 포함하여 1963 년 McNabb and Foster [7]에 의해 달성되었습니다. 1970 년, Oriani [8]는 격자의 수소와 트래핑 부위의 열역학적 평형을 제시했으며, 이는 맥린 등온선의 한 형태입니다. 국소 평형의 가정, 즉 매우 빠른 트래핑 동역학 및 낮은 수소 격자 용해도, 그보다 더 간단한 방정식 …
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