Atomistic-scale model for the numerical analysis of the hydrogen diffusion on magnesium alloys

Abstract

Las aleaciones estructurales de magnesio (Mg) ofrecen propiedades deseables como baja densidad, maquinabilidad y alta resistencia específica. Estas propiedades hacen que dichas aleaciones sean ventajosas para su uso en muchas aplicaciones estructurales, pero también para aplicaciones como material de almacenamiento de hidrógeno debido al coste favorable y a las altas densidades gravimétrica y volumétrica del hidrógeno. Sin embargo, la susceptibilidad de las aleaciones de Mg a los fenómenos de fragilización por hidrógeno puede dar lugar a una baja ductilidad y tenacidad a temperatura ambiente, pudiendo dificultar sus aplicaciones potenciales. Para ello, se propone un marco teórico para la simulación de la difusión de hidrógeno en Mg basado en cálculos atomísticos utilizando Dinámica Molecular Difusiva (DMD) que nos permita estudiar el comportamiento del magnesio y sus hidruros en diferentes condiciones de presión-temperatura. Nuestro modelo resuelve un problema acoplado Termo-Chemo-Mecánico (TMC) mediante un esquema escalonado. Por un lado, la parte termo-mecánica considera un potencial ADP termalizado que es el más adecuado para modelar la transición de fase del Mg (bcc↔hcp) causada por la formación de MgH₂ a temperatura finita. Finalmente, el problema químico, que rige la evolución temporal, se resuelve mediante una ecuación de difusión calibrada con información macroscópica.

Magnesium (Mg) structural alloys offer desirable properties such as low density, machinability, and high specific strength. These properties make Mg alloys advantageous for use in many structural applications but also for applications as a hydrogen storage material due to the favorable cost and high gravimetric and volumetric densities of hydrogen.

However, the susceptibility of Mg alloys to hydrogen embrittlement phenomena can lead to low ductility and low fracture toughness at room temperature, which may hinder their potential applications. Therefore, information about the behavior of magnesium and its hydrides under different pressure-temperature conditions is highly required. A theoretical framework for the simulation of hydrogen diffusion in Mg based on fully atomistic calculations using the Diffusive Molecular Dynamics (DMD) is proposed. Our model consists of the resolution of a Thermo-ChemoMechanical (TMC) coupled problem solved thorough a staggered scheme. On the one hand, the thermomechanical part considers a thermalized Angular Dependent Potential (ADP) which is best suited to model the phase transition of Mg (bcc↔hcp) caused by the formation of MgH₂ at finite temperature. And, on the other hand, the chemical problem, which drives the time evolution, is solved by a diffusion equation calibrated with macroscopic information.