典型核用金屬結構材料中缺陷行為的計算模擬研究.pdf

1、本論文對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構材料中的缺陷行為進行了系統(tǒng)研究。首先應用第一原理方法研究了鎳基單相濃縮固溶合金中空位團簇和自間隙原子的穩(wěn)定性和遷移行為。其次，應用分子靜力學方法研究了鎳基單相濃縮固溶合金中位錯環(huán)的形狀傾向性、輻照誘導偏析行為和層錯環(huán)的影響因素。最后，結合第一原理與分子動力學方法研究了He在鎢孿晶界中的偏析、捕獲和擴散行為。主要成果包括:
　　研究發(fā)現(xiàn)點缺陷遷移

2、模式的轉變增加了SP-CSAs中點缺陷的復合速率，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自間隙原子對的形成能比含F(xiàn)e自間隙原子對的形成能更低。自間隙原子與空位缺陷的遷移勢壘計算結果揭示了間隙位錯環(huán)中Co/Ni富集和Fe耗散的輻照誘導偏析實驗觀測現(xiàn)象的內在機理，同時表明這種輻照誘導偏析是由間隙遷移

3、主導的。純Ni和SP-CSAs中自間隙原子的一維遷移和三維遷移之間勢壘的差異揭示了間隙原子遷移模式的轉變:從純Ni中一維長程快速遷移模式轉變?yōu)镹iCo中一維和三維遷移混合模式進而轉變?yōu)镹iFe中的慢速短程三維遷移模式。
　　通過能量分析研究了實驗中觀測到的SP-CSAs中位錯環(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環(huán)上的輻照誘導偏析行為，接著對層錯環(huán)比例的影響因素進行了合理解釋。SP-CSAs中的

4、菱形全位錯環(huán)的形成能在0K下最低。而弗蘭克層錯環(huán)對橢圓形的形狀傾向與橢圓形層錯環(huán)形成能更低有關，同時也可能受到構型熵的影響。在NiFe和NiCr中，位錯環(huán)上合金元素含量不同時的形成能差異是導致位錯環(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更負的混合焓則導致了NiFeCr中位錯環(huán)上Ni/Fe富集和Cr耗散。SP-CSAs的堆垛層錯能隨著化學組分復雜性的增加而降低是導致單相

5、濃縮固溶合金中弗蘭克層錯環(huán)的比例隨化學組分復雜性的增加而升高的一個重要原因。堆垛層錯能與缺陷動力學效應對SP-CSAs中層錯環(huán)形成特性起到協(xié)同影響。堆垛層錯能的研究結果還表明可以通過改變化學組分復雜性來調節(jié)SP-CSAs的力學性能和形變機制。
　　研究發(fā)現(xiàn)He在鎢∑3<110>{111}孿晶界上的平均偏析能和擴散勢壘分別為-3.20eV和1.97eV，表明晶界對He具有強捕獲及慢擴散作用，這種現(xiàn)象是由晶界間隙捕獲及空位捕獲機制造成