IMPACT OF ALLOYING ELEMENTS ON HYDROGEN ADSORPTION, SOLUBILITY, AND DIFFUSION IN AUSTENITIC STAINLESS STEEL FOR HYDROGEN ENERGY INFRASTRUCTURE APPLICATIONS: A DENSITY FUNCTIONAL THEORY APPROACH. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSE MS THESIS) Final.draft.pdf Restricted to Repository staff only until 29 May 2026. Download (3MB)

Arabic Abstract

يُعدّ الاعتماد الواسع النطاق للهيدروجين كبديل للوقود الأحفوري في مختلف القطاعات خطوةً أساسيةً في خفض انبعاثات الكربون العالمية. ويتطلب تحقيق هذا التحول ليس فقط خفض تكاليف إنتاج الهيدروجين، بل أيضًا تطوير مواد معدنية متطورة وبنية تحتية فعّالة مناسبة لتخزين الهيدروجين ونقله وتوزيعه. ولا يزال هشاشة الهيدروجين (HE) يُشكّل تحديًا رئيسيًا للاستخدام الآمن لمختلف المواد المعدنية المستخدمة في مثل هذه الأنظمة، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (ASS). يُتيح الهيكل المكعبي ذو المركز الوجهي (FCC) للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي امتصاصًا أبطأ للهيدروجين، مما يجعله أقل عرضة لـ HE وأكثر ملاءمةً لخدمة الهيدروجين. ويُمثّل التحكم في التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي طريقةً فعّالةً لتخفيف هشاشة الهيدروجين بشكل أكبر. تبحث هذه الدراسة في تأثير عناصر السبائك (Ni و Cr و Mn و Mo و P و S و Si و N و C) والمغناطيس في درجات ASS (304 و 316) الأكثر استخدامًا في البنية التحتية للهيدروجين، على امتزاز الهيدروجين وذوبانه وانتشاره الى وداخل كتلة حديد FCC باستخدام حسابات المبادئ الأولى القائمة على نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). تُظهر نتائج نمذجة DFT أن N و C و P لها تأثير إيجابي على امتزاز الهيدروجين عن طريق تقليل قوة الامتزاز، بينما تقلل العناصر P و S و Si و Ni و Mn من ذوبان الهيدروجين داخل كتلة حديد FCC عن طريق زيادة طاقة الارتباط. من ناحية أخرى، تزيد Cr و S و Mo و Si و Mn و P من حاجز طاقة الهيدروجين للانتشار الى الكتلة، بينما تزيد Cr و Mo من الانتشار داخل الكتلة. توفر نتائجنا رؤى جديدة على المستوى الذري لتوجيه تصميم الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي FCC مع مقاومة محسنة لهشاشة الهيدروجين لأنظمة البنية التحتية للهيدروجين

English Abstract

A key step in reducing global carbon emissions is the large-scale adoption of hydrogen as a fossil fuel alternative across various sectors. Achieving this transition requires not only lowering hydrogen production costs but also developing advanced metallic materials and efficient infrastructure suitable for hydrogen storage, transport, and distribution. Hydrogen embrittlement (HE) remains a major challenge for the safe usage of various metallic materials used in such systems, including austenitic stainless steel (ASS). The face-centered cubic (FCC) structure of ASS provides slower uptake of hydrogen making them less prone to HE and more suitable for hydrogen service. Controlling ASS chemical composition represents an effective method for further hydrogen embrittlement mitigation. This study investigates the effect of alloying elements (Ni, Cr, Mn, Mo, P, S, Si, N, and C) and magnetization in ASS (304 and 316) grades, the most widely used in hydrogen infrastructure, on hydrogen adsorption, solubility, and diffusion into and through FCC iron using first-principles calculations based on density functional theory (DFT). Our DFT modeling results show that N, C, and P have a positive effect on hydrogen adsorption by decreasing the adsorption strength, while the elements P, S, Si, Ni, and Mn reduce the hydrogen solubility within the FCC iron bulk by increasing the binding energy. On the other hand, Cr, S, Mo, Si, Mn, and P increase the hydrogen energy barrier of diffusion into the slab, while Cr and Mo increase it through the bulk. Our findings provide novel atomic-scale insights to guide the design of FCC austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance for hydrogen infrastructure systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering Physics
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Alsayoud, Abduljabar
Committee Co-Advisor:	Toor, Ihsan Ul Haq
Committee Members:	Toor, Ihsan Ul Haq and Drmosh, Qasem Ahmed
Depositing User:	HAMADOUCHE MOHAMMED (g202212380)
Date Deposited:	29 May 2025 06:57
Last Modified:	29 May 2025 06:57
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143498