机器学习原子尺度模拟揭示氢诱导裂纹平面转变的基质机制

氢气相关的裂纹在以体心立方 Fe 及铁素材中，常以横向准 cleavage 形式出现，而非纯粹的层间失效，尤其在氢含量较低至适中时尤为如此。断口学研究表明氢气可能使裂纹主导 cleavage 面Facet从 {100} 转向 {110}，但原子尺度的证据仍不明确。本文构建了一种高效的神经网络势能函数用于 {\alpha}-Fe/H 系统，结合大规模三维分子动力学模拟与 grand-canonical 蒙特卡洛 (GCMC) 方法，使裂纹尖端区域及裂纹面区域能够与化学势固定的储罐交换氢气。对四种裂纹系统进行比较，识别出控制响应：(100)[010]、(100)[011] 和 (110)[001] 均为 cleavage 主导，而 (110)[1-10] 裂纹在纯 Fe 中为位错辐射模式，氢气充入后转为 cleavage。能量来源有二：氢气比 {100} 更强力地降低 {110} cleavage 平面族的 Griffith cleavage 阈值；对于控制裂纹，Rice 类型能量描述符表明，受表面能控制的 cleavage 抗性下降速度快于不稳定堆积位错控制的位错辐射抗性，这与削弱位错辐射盾牌相符。这些结果为 Fe 中氢气诱导的横向裂纹平面转变提供了热力学一致的原子尺度依据。