Volumen II - SAM

Congreso SAM/CONAMET 2009 Buenos Aires, 19 al 23 de Octubre de 2009
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO DE UNA ALEACIÓN HIERRO-NÍQUEL: LA
ESTABILIDAD DEL COMPLEJO VACANCIA-HIDRÓGENOS, EL ENLACE QUÍMICO Y LA
ESTRUCTURA ELECTRÓNICA
S. Simonetti (1, 2) , G. Brizuela (1) y A. Juan (1)
(1) Departamento de Física, Universidad Nacional del Sur (UNS) y CONICET, Av. Alem 1253, 8000 Bahía Blanca,
Argentina. TE: 54-291-4595141. Fax: 54-291-4595142.
(2) Centro de Investigaciones en Mecánica Teórica y Aplicada, Universidad Tecnológica Nacional, 11 de Abril 461, 8000
Bahía Blanca, Argentina. TE: 54-291-4555220.
E-mail: ssimonet@uns.edu.ar
RESUMEN
En el presente trabajo se estudia mediante simulación computacional, la sorción de cuatro átomos de
hidrógeno en la zona de una vacancia de una aleación FeNi-γ. La energía del sistema se calculó con el método
de Superposición Atómica y Delocalización Electrónica (ASED), y la estructura electrónica y el enlace
químico se analizaron utilizando los conceptos de densidades de estado y las curvas de población de
solapamiento orbital cristalino.
Mediante una sorción secuencial, los átomos de hidrógeno se localizaron en sus posiciones de mínima
energía, rodeando a la vacancia. Analizando la diferencia de energía de aglomeración para los hidrógenos
concluimos que el complejo vacancia-hidrógenos se manifiesta menos estable cuando posee más de dos
átomos de hidrógeno.
Se analizaron los cambios en la estructura electrónica de la aleación FeNi luego de la sorción de los
hidrógenos. Las interacciones principalmente involucran los orbitales atómicos 4s y 4p de los átomos de Fe y
Ni vecinos a la vacancia. La contribución de los orbitales 3d es de menor importancia. Los enlaces metálicos
Fe-Fe, Fe-Ni y Ni-Ni se debilitan como consecuencia de la formación de las nuevas interacciones Fe-H, Ni-H
y H-H que se producen en la matriz de la aleación. El efecto de los átomos de hidrógeno se limita a sus
primeros vecinos metálicos y podría estar relacionado con el mecanismo de fragilización por hidrógeno
evidenciado experimentalmente en aleaciones de uso industrial.
Palabras clave: hierro, níquel, hidrógeno, vacancia, fragilización.
1. INTRODUCCIÓN
El hidrógeno puede degradar las propiedades mecánicas de los materiales metálicos [1-4]. La presencia de
átomos de hidrógeno adsorbidos en la matriz del metal y concentrado cerca de los defectos de la red puede
conducir al material a la fractura [5].
Oriani [6] realizó un interesante reporte sobre la fragilización por hidrógeno en aceros. Liang y Sofronis [7]
investigaron la fragilización por hidrógeno en aleaciones base níquel. La cohesión del borde de grano en
aleaciones Ni-Cr-Fe, decrece con el incremento de la concentración de hidrógeno [8]. Mediante simulaciones
de dinámica molecular se ha observado que los bordes de grano de aleaciones Ni-Cr-Fe que presentan
irregularidades se ven afectados negativamente en presencia de hidrógeno, mientras que los que carecen de
estos defectos son resistentes a la fragilización [9].
Las razones que causan la fragilización de los materiales siguen siendo objeto de debate en la comunidad
científica. La extremadamente baja solubilidad y la alta movilidad del hidrógeno han dificultado su
estudio a nivel experimental. En este contexto, la simulación computacional provee una herramienta
alternativa para abordar el problema.
En este trabajo se utilizó el método de superposición atómica y delocalización electrónica (ASED), y el
programa YAeHMOP (Yet Another extended Hückel Molecular Orbital Package) [10] para estudiar la
sorción múltiple de hidrógeno cerca de una vacancia de FeNi-γ y el efecto de las impurezas en la estructura
electrónica del sólido. Las interacciones Ni-H, Fe-H y H-H también son analizadas.
2. SIMULACIÓN DE LA ALEACIÓN FeNiVACANCIA- H
Para representar la estructura de la aleación FeNi-γ se diseñó un cluster constituido por 179 átomos de Fe y
de Ni (50:50), distribuidos en cinco planos compactos FCC (111), con la vacancia ubicada exactamente en el
1216