典型核用金屬結(jié)構(gòu)材料中缺陷行為的計(jì)算模擬研究.pdf

1、本論文對(duì)具有良好抗輻照性能的單相濃縮固溶體合金(SP-CSAs)及純鎢等典型核用金屬結(jié)構(gòu)材料中的缺陷行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首先應(yīng)用第一原理方法研究了鎳基單相濃縮固溶合金中空位團(tuán)簇和自間隙原子的穩(wěn)定性和遷移行為。其次，應(yīng)用分子靜力學(xué)方法研究了鎳基單相濃縮固溶合金中位錯(cuò)環(huán)的形狀傾向性、輻照誘導(dǎo)偏析行為和層錯(cuò)環(huán)的影響因素。最后，結(jié)合第一原理與分子動(dòng)力學(xué)方法研究了He在鎢孿晶界中的偏析、捕獲和擴(kuò)散行為。主要成果包括:
　　研究發(fā)現(xiàn)點(diǎn)缺陷遷移

2、模式的轉(zhuǎn)變?cè)黾恿薙P-CSAs中點(diǎn)缺陷的復(fù)合速率，從而在一定程度上提高了SP-CSAs的抗輻照性能。鎳基單相濃縮固溶合金中的四面體型三空位的形成能比純Ni中更高，表明堆垛層錯(cuò)四面體在SP-CSAs中相比純Ni更難形核。含Co和含Ni自間隙原子對(duì)的形成能比含F(xiàn)e自間隙原子對(duì)的形成能更低。自間隙原子與空位缺陷的遷移勢(shì)壘計(jì)算結(jié)果揭示了間隙位錯(cuò)環(huán)中Co/Ni富集和Fe耗散的輻照誘導(dǎo)偏析實(shí)驗(yàn)觀測(cè)現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理，同時(shí)表明這種輻照誘導(dǎo)偏析是由間隙遷移

3、主導(dǎo)的。純Ni和SP-CSAs中自間隙原子的一維遷移和三維遷移之間勢(shì)壘的差異揭示了間隙原子遷移模式的轉(zhuǎn)變:從純Ni中一維長(zhǎng)程快速遷移模式轉(zhuǎn)變?yōu)镹iCo中一維和三維遷移混合模式進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)镹iFe中的慢速短程三維遷移模式。
　　通過(guò)能量分析研究了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的SP-CSAs中位錯(cuò)環(huán)的形狀傾向性，并根據(jù)能量、原子半徑和混合焓差異等影響因素分析了元素在位錯(cuò)環(huán)上的輻照誘導(dǎo)偏析行為，接著對(duì)層錯(cuò)環(huán)比例的影響因素進(jìn)行了合理解釋。SP-CSAs中的

4、菱形全位錯(cuò)環(huán)的形成能在0K下最低。而弗蘭克層錯(cuò)環(huán)對(duì)橢圓形的形狀傾向與橢圓形層錯(cuò)環(huán)形成能更低有關(guān)，同時(shí)也可能受到構(gòu)型熵的影響。在NiFe和NiCr中，位錯(cuò)環(huán)上合金元素含量不同時(shí)的形成能差異是導(dǎo)致位錯(cuò)環(huán)上的Ni富集和Fe/Cr耗散現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。Fe原子相比Cr原予更小的半徑以及Fe和Ni中相比Fe和Cr更負(fù)的混合焓則導(dǎo)致了NiFeCr中位錯(cuò)環(huán)上Ni/Fe富集和Cr耗散。SP-CSAs的堆垛層錯(cuò)能隨著化學(xué)組分復(fù)雜性的增加而降低是導(dǎo)致單相

5、濃縮固溶合金中弗蘭克層錯(cuò)環(huán)的比例隨化學(xué)組分復(fù)雜性的增加而升高的一個(gè)重要原因。堆垛層錯(cuò)能與缺陷動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)SP-CSAs中層錯(cuò)環(huán)形成特性起到協(xié)同影響。堆垛層錯(cuò)能的研究結(jié)果還表明可以通過(guò)改變化學(xué)組分復(fù)雜性來(lái)調(diào)節(jié)SP-CSAs的力學(xué)性能和形變機(jī)制。
　　研究發(fā)現(xiàn)He在鎢∑3<110>{111}孿晶界上的平均偏析能和擴(kuò)散勢(shì)壘分別為-3.20eV和1.97eV，表明晶界對(duì)He具有強(qiáng)捕獲及慢擴(kuò)散作用，這種現(xiàn)象是由晶界間隙捕獲及空位捕獲機(jī)制造成