核結構鋼輻照氦效應的原子尺度模擬.pdf

1、目前在設計或實驗階段的新型反應堆有一個共同的特點:反應堆結構材料服役環(huán)境中，中子的能量遠高于傳統(tǒng)商用熱中子反應堆。鑒于目前反應堆建造和設計中，結構材料以合金，主要是鐵基合金（鋼）為主，在高能中子輻照條件下，中子通過與鐵及合金元素的(n，α)嬗變反應，會在結構鋼中引入大量的氦原子。由于氦在鋼中的溶解度極低，而且遷移勢壘也很低，很容易通過間隙位遷移。在遷移過程中容易與中子輻照產生的空位結合，形成氦空位團簇，小的氦空位團簇在高溫條件下可以遷移

2、聚集成大的氦泡，大的氦空位團簇傾向于通過間隙原子踢出機制成長。實際的結構鋼中都存在一些本征缺陷（位錯、晶界、沉淀等），氦泡容易在材料中額外空間大的缺陷處成核生長。結構鋼中引入的氦泡會很大程度上降低結構鋼的機械性能，這種由氦引起的結構鋼機械性能的改變稱之為結構鋼的輻照氦效應。大量的實驗已經證明了氦泡會引起結構鋼的硬化，脆化以及腫脹效應，但是目前對這些現(xiàn)象的微觀尺度機制還不是十分清晰。很多微觀尺度的現(xiàn)象無法通過實驗手段進行研究，需要借助原子

3、尺度的模擬技術來進行研究。本論文使用分子動力學，分子靜力學等原子尺度模擬技術分別從以下幾個方面研究了與輻照氦效應相關的微觀尺度機制。
　　(1)研究了氦泡成核和生長中的氦泡平衡問題，闡明了兩種不同的平衡氦泡形成機制，回答了關于平衡氦泡的氦/空位比率的爭論，為進一步研究氦泡誘導結構鋼硬化和脆化做了鋪墊，研究結果表明氦泡在成核和生長過程中存在兩種不同定義的平衡狀態(tài):一種是基于能量最低的平衡狀態(tài);一種是基于機械平衡的平衡狀態(tài)。氦泡在成核

4、和生長中，當氦泡中氦/空位比率達到0.38-0.55時，氦泡率先達到機械平衡狀態(tài)，這個比率隨著氦泡的長大會有一定程度上升，然后當氦泡中氦/空位比率達到1.0-2.6（隨氦泡尺寸增加而增加）之間時，氦泡達到能量最低的平衡狀態(tài)。此外，當氦泡中氦/空位比率達到3.4-5.0（隨氦泡尺寸增加而減少）之間時，氦泡會通過間隙型位錯環(huán)踢出機制獲得生長能力的大幅提升。
　　(2)研究了氦泡誘導結構鋼硬化的微觀機理，通過研究1/2<111>{110

5、}型刃位錯與不同氦/空位比率的氦泡的相互作用，分析了氦泡誘導結構鋼屈服強度上升的微觀機制，探究了通過控制氦泡中氦/空位比率改善結構鋼硬化程度的可行性，研究結果表明氦泡誘導結構鋼硬化的微觀機制是氦泡阻礙位錯滑移，提高位錯滑移的臨界剪切應力，進而提高材料的屈服強度。1/2<111>{100}型刃位錯的臨界剪切應力隨著氦泡中氦/空位比率的變化而存在顯著變化，在氦/空位比率為2.0時，臨界剪切應力值達到最低，繼而在更高氦/空位比率條件下大幅提高

6、，這主要是由氦泡與位錯作用機制的改變所引起，位錯在與高氦/空位比率的氦泡發(fā)生作用時，未與氦泡直接作用，而是與氦泡周圍踢出的位錯環(huán)相互作用，進一步提高了位錯滑移的臨界剪切應力。
　　(3)最后研究了氦泡誘導晶界脆化的機制，通過一系列對稱傾斜晶界的拉伸測試，根據(jù)應力-應變響應的變化，研究了不同類型晶界的變形機制。通過在晶界中引入不同大小和氦/空位比率的氦泡，研究了晶界在拉伸變形中與氦泡的相互作用，揭示了氦泡誘導晶界強度和延伸率降低的原

7、子尺度機制，研究結果表明:所研究的晶界被分為兩類，其一是應力-應變曲線中存在常應力段的晶界，對應的微觀機制是拉伸過程中晶界的滑移，該類晶界的錯配角一般小于90°，包括所有具有<100>傾斜軸的晶界和具有<110>傾斜軸的晶界中錯配角小于90°的晶界;其二是應力-應變曲線在晶界斷裂前無常應力段存在的晶界，該類晶界的錯配角一般大于90°，包括<110>傾斜對稱晶界中錯配角大于90°的晶界。Bainpath應變相變是誘導晶界滑移的微觀尺度機制

8、，晶界附近的原子通過Bain path相變由BCC結構轉化為了FCC結構，進而在整個晶體中形成了由三個晶粒組成的晶界，隨著拉伸應變的增加，Bain path相變的區(qū)域變大，引起晶界的滑移。氦泡誘導晶界延伸率降低的根本原因是阻礙了Bain path相變機制，抑制了晶界的滑移。晶界的強度和延伸率隨著氦泡尺寸的增加而降低，同樣隨著氦泡中氦/空位比率的增加而降低，但是氦/空位比率的影響要小于氦泡尺寸的影響。
　　本論文的所有研究結論有望為