金属材料辐照条件下半共格界面力学行为的相场方法研究

发布时间：2020-07-01 01:42

【摘要】：热核反应过程中会产生大量的惰性气体元素氦,氦具有的固体难溶解性会导致氦原子在金属中扩散聚集形成氦团簇,并不断长大成为纳米尺寸的氦泡。氦泡与缺陷的相互作用会严重影响材料的力学性能,造成材料膨胀、脆化、硬化,缩短材料使用寿命,威胁热核反应堆的安全,制约核科学技术的发展。因此探究和理解氦泡在半共格界面位错网络上的形成和演化过程对设计耐辐照材料具有重要意义。实验上发现空位、孔洞、晶界、位错网络等缺陷有利于氦泡形核,且氦原子倾向于扩散聚集在位错网络上形成周期性的氦泡阵列。目前已有大量分子动力学、蒙特卡洛模拟等方法研究了氦泡形成的微观过程,原子模拟能够获得缺陷的基本物理参数,但限于时间和空间尺度无法直接描述缺陷间长时间的行为;而连续统模型则简化处理了缺陷间的短程原子作用,如位错核心结构等。相场方法既能够利用微弹性理论处理连续尺度上的长程弹性作用,也能够以原子模拟结果作为输入处理缺陷短程原子作用。基于此,本文借助相场微弹性理论和派纳模型来研究氦泡等缺陷之间的相互作用机理。首先建立了界面位错的相场模型,系统研究了晶格失配和扭转失配作用下不同取向半共格界面位错网络的形成机制;然后拓展位错模型考虑氦偏析,模拟了氦原子在半共格界面位错网络上偏析与位错网络耦合演化的动力学过程,分析发现氦原子的扩散与位错网络周期性分布的应力场密切相关,系统研究了扭转角、错配度、层错能等材料参数对氦泡阵列周期和氦泡形态的影响规律;我们发现了层状材料中氦泡阵列生长的两种模态,从而可以通过改变错配度和层厚的大小调控氦泡的生长模态,这一结果有望对设计高性能、抗辐射材料提供理论指导。另外,面心立方晶体中扩展位错与孔洞或夹杂缺陷的相互作用是辐照下金属材料硬化的一种微观力学机制,充分理解位错与球形夹杂的作用机制对研究材料硬化不可或缺。本文中我们建立了面心立方晶体中扩展位错穿越球形孔洞的相场模型,模拟了层错能大小、外加剪切应力大小对穿越过程的影响,并考虑了球形夹杂内模量大小对位错穿越过程的影响规律。计算结果为理解材料硬化提供了一种新的思路。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL34
【图文】：

位错网络,滑移系,结构变换

自２０世纪初期以来，金属材料的辐照效应开始逐渐被材料科学领域重视。逡逑其中氦是核聚变的主要副产物，材料中氦行为的理论和实验研宄方法有很多，逡逑如图１．２所示为一系列数值模拟和实验技术［｜４］，包含不同时间和空间尺度。实逡逑验主要分为观测材料结构和测试材料力学性能两大类，理论方法有速率方程理逡逑论等，数值方法有第一性原理、分子动力学、蒙特卡洛模拟、相场方法等多尺逡逑度的模拟方法。Ｍａｒｉａ邋Ｓａｍａｒａｓ等人［｜５］在一篇综述中使用多尺度建模方法研究并逡逑了解氦气泡在铁素体钢中形核和生长的机理，阐释了氦泡对材料力学性质的影逡逑响。逡逑２逡逑

材料,方法,位错网络,滑移系

｛ｕ；＾＾Ｍ逡逑ｌ＾ａＨＨＨｒ邋／ｍ＆．逡逑图１．１邋｛００１｝滑移系位错网络到｛１１１｝滑移系位错网络的结构变换ＩＢＩ。逡逑１．２研究现状逡逑自２０世纪初期以来，金属材料的辐照效应开始逐渐被材料科学领域重视。逡逑其中氦是核聚变的主要副产物，材料中氦行为的理论和实验研宄方法有很多，逡逑如图１．２所示为一系列数值模拟和实验技术［｜４］，包含不同时间和空间尺度。实逡逑验主要分为观测材料结构和测试材料力学性能两大类，理论方法有速率方程理逡逑论等，数值方法有第一性原理、分子动力学、蒙特卡洛模拟、相场方法等多尺逡逑度的模拟方法。Ｍａｒｉａ邋Ｓａｍａｒａｓ等人［｜５］在一篇综述中使用多尺度建模方法研究并逡逑了解氦气泡在铁素体钢中形核和生长的机理，阐释了氦泡对材料力学性质的影逡逑响。逡逑２逡逑

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