金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展
发布时间：2022-01-26 05:20
辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题.辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化.论文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷,及其与位错、晶界等微结构的相互作用.分子动力学方法揭示的机制与模型,深化了学界对辐照效应的认识,有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料.
【文章来源】：固体力学学报. 2020,41(06)北大核心CSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
辐照金属材料的微观缺陷及力学性能[7-11]
空洞是辐照材料中常见的纳米缺陷之一,其可由空位汇聚而成,这种汇聚在高温下较为显著[81].在变形过程中,铜和镍中空洞通过发射位错生长[82,83].而在六方材料镁中,空洞通过发射孪晶或者位错生长、汇聚,呈现出很强的各向异性[84].在钼中,螺型位错直接切过空洞,但是空洞仍然对位错具有阻碍效果,阻碍效果在空洞尺寸3纳米之下较为微弱,但在3纳米之上增长显著[85].对镍中刃型位错,空洞的阻碍效果同样随尺寸增加而增强[86],且对温度不太敏感[86].而在面心立方铁中,空洞的阻碍效果随温升而降低[87,88].相对于氦泡,空洞对位错的阻碍效果更强,尽管氦泡的阻碍效果随氦原子数的增加而增强[87,88].空洞对晶界的迁移同样具有阻碍作用,如下图4所示,在低温下阻碍作用较为显著,高温下由于晶界能吸收空洞,故阻碍效果相对较弱,高低温下阻碍效果均随空洞尺寸的增长而减弱[89].氦泡与空洞不同,氦泡中通常存在较高的内压[90],<111>位错环易于从氦泡发射[91],而发射的位错环进一步促进氦泡形成,故氦泡多是沿<111>方向形成队列[72,92].当氦泡处在表面附近时,导致钨表面鼓泡,甚至发生爆裂,导致材料表面剥落[93,94].氦泡对位错也具有阻碍效果,但是氦泡和空位复合型缺陷具有更强的阻碍作用[95].由于氦泡发射的位错总是被晶界阻碍,导致晶界具有抑制氦泡生长的效果[96],故晶界附近多分布小尺寸氦泡[76].5 Frank位错环、层错四面体与无缺陷通道
在材料变形过程中,晶格位错与位错环和四面体发生多样化反应,位错完全吸收、部分吸收、剪切位错环和四面体[100,101],形成图6所示的无缺陷通道(defect-free channel,也称为位错通道,简称通道).早在1958年,Cottrell首先预测在辐照材料中会形成通道.后来学界在几乎所有金属(铜(面心立方)、钼(体心立方)、锆(密排六方)、铁、铌、钒、铝、金以及各种合金)中验证了通道的存在.首先对通道进行全面研究的是Sharp[102],他发现:①不同通道的宽度可能不同,但是同一条通道的宽度是不变的,在50～200纳米之间;② 通道中没有位错环和四面体,但是有位错存在;③ 几乎所有的塑性变形都集中发生在通道内部.然而Sharp没有对通道的起源给出解释,Edwards等[7]指出晶界发射的位错很快清除位错环和四面体形成通道.在较大辐照剂量(5.5 dpa)的情况下,通道会穿过晶界进入相邻晶粒[103].另外,通道的取向与滑移面取向密切相关,铜中通道平行于 { 111 } 滑移面,钒中是 { 110 } 与 { 112 } ,锌中是 {10 1 ˉ 0} 、 {10 1 ˉ 1} 与 { 0001 } [104] .滑移面与加载轴的夹角会影响通道宽度,当滑移面与加载轴成45°时,产生的通道较宽,并与滑移面分切应力成正比[105].通道形状与材料的层错能相关,在低层错能材料(304不锈钢+硅)中,通道是直线的;在高层错能材料(304不锈钢+铬+镍)中通道是曲折分布的[103];在层错能更高的金属钒中,发现了河流状的通道,且可汇聚、发散[106].尽管通道的体积分数极小,但是试样内部有三分之一的位错分布在通道内部,几乎所有的塑性变形局部化在通道中,导致通道的应变很高.由于晶界会阻碍通道扩展,在通道与晶界交汇处积累巨大损伤,从而引发裂纹,这是辐照材料脆化的一个重要原因[7].图6 实验观测的无缺陷通道[107]
【参考文献】：
期刊论文
[1]高熵合金的抗辐照性能研究进展[J]. 豆艳坤,靳柯,贺新福,杨文,钟巍华,曹晗,黄楚天. 原子能科学技术. 2019(10)
[2]不同温度下α-Fe中级联碰撞分子动力学模拟研究[J]. 曹晗,贺新福,王东杰,吴石,贾丽霞,豆艳坤,杨文. 原子能科学技术. 2019(03)
[3]聚变堆结构材料辐照性能的评价[J]. 何培,姚伟志,吕建明,张向东. 材料工程. 2018(06)
[4]弥散核燃料燃烧演化过程中的关键力学问题[J]. 丁淑蓉,龚辛,赵云妹,崔羿,霍永忠,魏洪杨. 力学季刊. 2018(01)
[5]Diffusion behavior of helium in titanium and the effect of grain boundaries revealed by molecular dynamics simulation[J]. 程贵钧,付宝勤,侯氢,周晓松,汪俊. Chinese Physics B. 2016(07)
[6]金属材料力学性能的辐照硬化效应[J]. 肖厦子,宋定坤,楚海建,薛建明,段慧玲. 力学进展. 2015(00)
[7]α-铁和钒中级联碰撞的分子动力学模拟研究[J]. 王宁,邓辉球,胡能文,胡望宇,周韦. 中国科学:技术科学. 2012(04)
[8]聚变堆第一壁用纳米结构ODS钢的发展与前瞻[J]. 吕铮. 原子能科学技术. 2011(09)
[9]磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展[J]. 吕广宏,罗广南,李建刚. 中国材料进展. 2010(07)
本文编号：3609895
【文章来源】：固体力学学报. 2020,41(06)北大核心CSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
辐照金属材料的微观缺陷及力学性能[7-11]
空洞是辐照材料中常见的纳米缺陷之一,其可由空位汇聚而成,这种汇聚在高温下较为显著[81].在变形过程中,铜和镍中空洞通过发射位错生长[82,83].而在六方材料镁中,空洞通过发射孪晶或者位错生长、汇聚,呈现出很强的各向异性[84].在钼中,螺型位错直接切过空洞,但是空洞仍然对位错具有阻碍效果,阻碍效果在空洞尺寸3纳米之下较为微弱,但在3纳米之上增长显著[85].对镍中刃型位错,空洞的阻碍效果同样随尺寸增加而增强[86],且对温度不太敏感[86].而在面心立方铁中,空洞的阻碍效果随温升而降低[87,88].相对于氦泡,空洞对位错的阻碍效果更强,尽管氦泡的阻碍效果随氦原子数的增加而增强[87,88].空洞对晶界的迁移同样具有阻碍作用,如下图4所示,在低温下阻碍作用较为显著,高温下由于晶界能吸收空洞,故阻碍效果相对较弱,高低温下阻碍效果均随空洞尺寸的增长而减弱[89].氦泡与空洞不同,氦泡中通常存在较高的内压[90],<111>位错环易于从氦泡发射[91],而发射的位错环进一步促进氦泡形成,故氦泡多是沿<111>方向形成队列[72,92].当氦泡处在表面附近时,导致钨表面鼓泡,甚至发生爆裂,导致材料表面剥落[93,94].氦泡对位错也具有阻碍效果,但是氦泡和空位复合型缺陷具有更强的阻碍作用[95].由于氦泡发射的位错总是被晶界阻碍,导致晶界具有抑制氦泡生长的效果[96],故晶界附近多分布小尺寸氦泡[76].5 Frank位错环、层错四面体与无缺陷通道
在材料变形过程中,晶格位错与位错环和四面体发生多样化反应,位错完全吸收、部分吸收、剪切位错环和四面体[100,101],形成图6所示的无缺陷通道(defect-free channel,也称为位错通道,简称通道).早在1958年,Cottrell首先预测在辐照材料中会形成通道.后来学界在几乎所有金属(铜(面心立方)、钼(体心立方)、锆(密排六方)、铁、铌、钒、铝、金以及各种合金)中验证了通道的存在.首先对通道进行全面研究的是Sharp[102],他发现:①不同通道的宽度可能不同,但是同一条通道的宽度是不变的,在50～200纳米之间;② 通道中没有位错环和四面体,但是有位错存在;③ 几乎所有的塑性变形都集中发生在通道内部.然而Sharp没有对通道的起源给出解释,Edwards等[7]指出晶界发射的位错很快清除位错环和四面体形成通道.在较大辐照剂量(5.5 dpa)的情况下,通道会穿过晶界进入相邻晶粒[103].另外,通道的取向与滑移面取向密切相关,铜中通道平行于 { 111 } 滑移面,钒中是 { 110 } 与 { 112 } ,锌中是 {10 1 ˉ 0} 、 {10 1 ˉ 1} 与 { 0001 } [104] .滑移面与加载轴的夹角会影响通道宽度,当滑移面与加载轴成45°时,产生的通道较宽,并与滑移面分切应力成正比[105].通道形状与材料的层错能相关,在低层错能材料(304不锈钢+硅)中,通道是直线的;在高层错能材料(304不锈钢+铬+镍)中通道是曲折分布的[103];在层错能更高的金属钒中,发现了河流状的通道,且可汇聚、发散[106].尽管通道的体积分数极小,但是试样内部有三分之一的位错分布在通道内部,几乎所有的塑性变形局部化在通道中,导致通道的应变很高.由于晶界会阻碍通道扩展,在通道与晶界交汇处积累巨大损伤,从而引发裂纹,这是辐照材料脆化的一个重要原因[7].图6 实验观测的无缺陷通道[107]
【参考文献】：
期刊论文
[1]高熵合金的抗辐照性能研究进展[J]. 豆艳坤,靳柯,贺新福,杨文,钟巍华,曹晗,黄楚天. 原子能科学技术. 2019(10)
[2]不同温度下α-Fe中级联碰撞分子动力学模拟研究[J]. 曹晗,贺新福,王东杰,吴石,贾丽霞,豆艳坤,杨文. 原子能科学技术. 2019(03)
[3]聚变堆结构材料辐照性能的评价[J]. 何培,姚伟志,吕建明,张向东. 材料工程. 2018(06)
[4]弥散核燃料燃烧演化过程中的关键力学问题[J]. 丁淑蓉,龚辛,赵云妹,崔羿,霍永忠,魏洪杨. 力学季刊. 2018(01)
[5]Diffusion behavior of helium in titanium and the effect of grain boundaries revealed by molecular dynamics simulation[J]. 程贵钧,付宝勤,侯氢,周晓松,汪俊. Chinese Physics B. 2016(07)
[6]金属材料力学性能的辐照硬化效应[J]. 肖厦子,宋定坤,楚海建,薛建明,段慧玲. 力学进展. 2015(00)
[7]α-铁和钒中级联碰撞的分子动力学模拟研究[J]. 王宁,邓辉球,胡能文,胡望宇,周韦. 中国科学:技术科学. 2012(04)
[8]聚变堆第一壁用纳米结构ODS钢的发展与前瞻[J]. 吕铮. 原子能科学技术. 2011(09)
[9]磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展[J]. 吕广宏,罗广南,李建刚. 中国材料进展. 2010(07)
本文编号：3609895
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