典型核用金属结构材料中缺陷行为的计算模拟研究
发布时间：2020-08-03 19:22
【摘要】：本论文对具有良好抗辐照性能的单相浓缩固溶体合金(SP-CSAs)及纯钨等典型核用金属结构材料中的缺陷行为进行了系统研究。首先应用第一原理方法研究了镍基单相浓缩固溶合金中空位团簇和自间隙原子的稳定性和迁移行为。其次,应用分子静力学方法研究了镍基单相浓缩固溶合金中位错环的形状倾向性、辐照诱导偏析行为和层错环的影响因素。最后,结合第一原理与分子动力学方法研究了 He在钨孪晶界中的偏析、捕获和扩散行为。主要成果包括:研究发现点缺陷迁移模式的转变增加了 SP-CSAs中点缺陷的复合速率,从而在一定程度上提高了 SP-CSAs的抗辐照性能。镍基单相浓缩固溶合金中的四面体型三空位的形成能比纯Ni中更高,表明堆垛层错四面体在SP-CSAs中相比纯Ni更难形核。含Co和含Ni自间隙原子对的形成能比含Fe自间隙原子对的形成能更低。自间隙原子与空位缺陷的迁移势垒计算结果揭示了间隙位错环中Co/Ni富集和Fe耗散的辐照诱导偏析实验观测现象的内在机理,同时表明这种辐照诱导偏析是由间隙迁移主导的。纯Ni和SP-CSAs中自间隙原子的一维迁移和三维迁移之间势垒的差异揭示了间隙原子迁移模式的转变:从纯Ni中一维长程快速迁移模式转变为NiCo中一维和三维迁移混合模式进而转变为NiFe中的慢速短程三维迁移模式。通过能量分析研究了实验中观测到的SP-CSAs中位错环的形状倾向性,并根据能量、原子半径和混合焓差异等影响因素分析了元素在位错环上的辐照诱导偏析行为,接着对层错环比例的影响因素进行了合理解释。SP-CSAs中的菱形全位错环的形成能在0K下最低。而弗兰克层错环对椭圆形的形状倾向与椭圆形层错环形成能更低有关,同时也可能受到构型熵的影响。在NiFe和NiCr中,位错环上合金元素含量不同时的形成能差异是导致位错环上的Ni富集和Fe/Cr耗散现象发生的主要原因。Fe原子相比Cr原子更小的半径以及Fe和Ni中相比Fe和Cr更负的混合焓则导致了 NiFeCr中位错环上Ni/Fe富集和Cr耗散。SP-CSAs的堆垛层错能随着化学组分复杂性的增加而降低是导致单相浓缩固溶合金中弗兰克层错环的比例随化学组分复杂性的增加而升高的一个重要原因。堆垛层错能与缺陷动力学效应对SP-CSAs中层错环形成特性起到协同影响。堆垛层错能的研究结果还表明可以通过改变化学组分复杂性来调节SP-CSAs的力学性能和形变机制。研究发现He在钨∑3110{111}孪晶界上的平均偏析能和扩散势垒分别为-3.20 eV和1.97 eV,表明晶界对He具有强捕获及慢扩散作用,这种现象是由晶界间隙捕获及空位捕获机制造成的。He在W∑3(111)孪晶界中会引入一个陷阱转变机制。在第一原理分子动力学模拟中发现了晶界断开现象,这种晶界断开迁移机制随后通过经典分子动力学模拟被证实。分子动力学模拟的研究结果表明He总是随着晶界迁移而迁移。本论文的研究结果将对未来核用金属结构材料中缺陷特性的实验研究和更深入的计算模拟研究提供理论依据,同时对设计和研究具有抗辐照性能的新型合金提供可供参考的设计思路。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG111.2
【图文】：
众多实验和理论研宄表明单相浓缩固溶合金相比纯金属具有更高的抗辐照逡逑损伤性能％４吣例如相比纯金属Ｎｉ，镍基单相浓缩固溶合金ＮｉＦｅ经由辐照产生逡逑的损伤缺陷更少、尺寸更小，如图１．１所示然而，研究人员尚未清楚理解单逡逑相浓缩固溶合金中抗辐照损伤的具体机理，己提出的相关机理主要有一下三种：逡逑①
逡逑进行研究，发现这两种合金相比纯Ｎｉ具有更高的抗辐照性能。如图１．２所示，逡逑辐照碰撞级联模拟后ＮｉＱＳＣｎ）．２中的点缺陷数目远低于纯Ｎｉ。他们的研究结果显逡逑示辐照碰撞级联之后ＮｉＱ８Ｃｒａ２和Ｎｉａ８ＦｅＧ２形成的点缺陷的数目分别比Ｎｉ中低逡逑２．５和１．４倍；相比纯Ｎｉ，二元单相浓缩固溶合金中的间隙团簇尺寸小、分布密逡逑度大，他们认为这种缺陷大小和分布差异是由辐照碰撞级联过程中点缺陷的扩散逡逑所控制的，这表明间隙原子在合金中的移动性更低；此外他们还发现ＮｉＱ邋８Ｃｉｕ２的逡逑抗辐照性能要优于ＮｉＱ８Ｆｅａ２。基于分子动力学方法及活化弛豫动力学（ｋｉｎｅｔｉｃ逡逑ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ－ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ，简称Ｋ－ＡＲＴ）方法，Ｏｓｅｔｓｋｙ等人丨４Ｑ］研究发现单相浓缩固溶逡逑合金中空位和间隙原子的迁移受到构成相应缺陷的合金成分的影响；他们还发现逡逑点缺陷在单相浓缩固溶合金ＮｉＦｅ中的扩散比在纯Ｎｉ和纯Ｆｅ中慢。Ｏｌｓｅｎ等人逡逑［４１１也认为单相浓缩固溶合金中缺陷移动性的降低是实验上发现的单相浓缩固溶逡逑合金ＮｉＣｏ中空位和间隙团块尺寸显著低于纯Ｎｉ的主要原因。Ａｉｄｈｙ等人［３７］研宄逡逑了邋ＦＣＣ金属Ｎｉ、Ｎｉ0．８Ｃｒａ２和ＮｉａｓＦｅａｓ中辐照引入的点缺陷演化，发现相比纯逡逑Ｎｉ，ＮｉＦｅ和ＮｉＣｒ中缺陷形成得更慢，同时还发现纯Ｎｉ中的缺陷团块尺寸大密逡逑度低而合金中缺陷团块则尺寸小密度大，他们认为这是由于单相浓缩固溶合金中逡逑的缺陷迁移势垒比纯Ｎｉ中更高所导致的。Ｌａｕｒｅｎｔ等人［４６］对Ａｕ离子辐照下单相逡逑浓缩固溶合金ＮｉＦｅ和纯Ｎｉ中的缺陷生成过程进行了模拟研宄
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本文编号：2780085
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG111.2
【图文】：
众多实验和理论研宄表明单相浓缩固溶合金相比纯金属具有更高的抗辐照逡逑损伤性能％４吣例如相比纯金属Ｎｉ，镍基单相浓缩固溶合金ＮｉＦｅ经由辐照产生逡逑的损伤缺陷更少、尺寸更小，如图１．１所示然而，研究人员尚未清楚理解单逡逑相浓缩固溶合金中抗辐照损伤的具体机理，己提出的相关机理主要有一下三种：逡逑①
逡逑进行研究，发现这两种合金相比纯Ｎｉ具有更高的抗辐照性能。如图１．２所示，逡逑辐照碰撞级联模拟后ＮｉＱＳＣｎ）．２中的点缺陷数目远低于纯Ｎｉ。他们的研究结果显逡逑示辐照碰撞级联之后ＮｉＱ８Ｃｒａ２和Ｎｉａ８ＦｅＧ２形成的点缺陷的数目分别比Ｎｉ中低逡逑２．５和１．４倍；相比纯Ｎｉ，二元单相浓缩固溶合金中的间隙团簇尺寸小、分布密逡逑度大，他们认为这种缺陷大小和分布差异是由辐照碰撞级联过程中点缺陷的扩散逡逑所控制的，这表明间隙原子在合金中的移动性更低；此外他们还发现ＮｉＱ邋８Ｃｉｕ２的逡逑抗辐照性能要优于ＮｉＱ８Ｆｅａ２。基于分子动力学方法及活化弛豫动力学（ｋｉｎｅｔｉｃ逡逑ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ－ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ，简称Ｋ－ＡＲＴ）方法，Ｏｓｅｔｓｋｙ等人丨４Ｑ］研究发现单相浓缩固溶逡逑合金中空位和间隙原子的迁移受到构成相应缺陷的合金成分的影响；他们还发现逡逑点缺陷在单相浓缩固溶合金ＮｉＦｅ中的扩散比在纯Ｎｉ和纯Ｆｅ中慢。Ｏｌｓｅｎ等人逡逑［４１１也认为单相浓缩固溶合金中缺陷移动性的降低是实验上发现的单相浓缩固溶逡逑合金ＮｉＣｏ中空位和间隙团块尺寸显著低于纯Ｎｉ的主要原因。Ａｉｄｈｙ等人［３７］研宄逡逑了邋ＦＣＣ金属Ｎｉ、Ｎｉ0．８Ｃｒａ２和ＮｉａｓＦｅａｓ中辐照引入的点缺陷演化，发现相比纯逡逑Ｎｉ，ＮｉＦｅ和ＮｉＣｒ中缺陷形成得更慢，同时还发现纯Ｎｉ中的缺陷团块尺寸大密逡逑度低而合金中缺陷团块则尺寸小密度大，他们认为这是由于单相浓缩固溶合金中逡逑的缺陷迁移势垒比纯Ｎｉ中更高所导致的。Ｌａｕｒｅｎｔ等人［４６］对Ａｕ离子辐照下单相逡逑浓缩固溶合金ＮｉＦｅ和纯Ｎｉ中的缺陷生成过程进行了模拟研宄
乻卿？亁逡逑－■一龄ｔｒa牵蝈义贤迹保趁嫘牧⒎街醒屏遄醇湎对佣缘募钢智ㄒ颇Ｊ剑换疑蛭危樵樱焐蛭又叔义显渝澹疲澹茫颍叮玻薄ｅ义相蝈义贤迹保捶蘸蟠浚危榈模ǎ幔就干涞缱酉晕⒕迪碌臍俳嵌然沸伟党〕上窈停ǎ猓┓肿佣ρＤ饨徨义瞎涣街址椒ň鄄獾搅思湎痘泛投讯獠愦硭拿嫣宓拇嬖冢矗玻薄ｅ义希稿义
本文编号：2780085
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