氦摻雜誘發(fā)金屬鎳脆化的原子水平研究.pdf

1、在核技術(shù)和核工業(yè)領(lǐng)域中，氦的產(chǎn)生和聚集對于聚變堆和裂變堆第一壁金屬材料造成的損傷一直是困擾核材料使用安全的重大問題。氦對材料的影響主要體現(xiàn)在氦的聚合、氦泡形成、氦與材料內(nèi)缺陷相互作用，而導(dǎo)致材料的腫脹和脆化斷裂等一些宏觀現(xiàn)象的發(fā)生，惡化了材料的力學(xué)性能，因此很有必要對氦在金屬體內(nèi)的聚集、遷移、擴(kuò)散以及與各類缺陷的相互作用進(jìn)行深入的研究，進(jìn)而探討這些微觀結(jié)構(gòu)演化與材料力學(xué)性能之間的密切關(guān)系。目前，人們利用理論和實(shí)驗(yàn)的手段試圖從各種層次進(jìn)行

2、相關(guān)的研究。其中計(jì)算機(jī)模擬方法(包括第一原理計(jì)算，分子動力學(xué)方法和蒙特卡羅方法)可以洞察氦原子在材料體內(nèi)的聚集遷移行為。然而，氦與缺陷的相互作用影響到材料力學(xué)性能的改變，有關(guān)方面的研究仍知之甚少。本文以fcc鎳金屬為例，應(yīng)用Griffith理論計(jì)算裂紋擴(kuò)展過程體系應(yīng)變能的改變，在原子水平研究金屬材料的脆化。首先設(shè)計(jì)了一個(gè)有微裂紋的鎳金屬襯底，并用分子動力學(xué)方法計(jì)算裂紋擴(kuò)展時(shí)體系在彈性應(yīng)變中釋放的能量。在同樣的缺陷條件下，將有氦團(tuán)簇時(shí)的應(yīng)

3、變能釋放值(Er)與無氦時(shí)的相應(yīng)值(Er0)進(jìn)行比較，通過計(jì)算氦團(tuán)簇注入后應(yīng)變能釋放值的改變，研究它對材料脆化的影響。 我們發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)應(yīng)變能釋放值Er顯著高于無氦團(tuán)簇?fù)诫s時(shí)的應(yīng)變能釋放，Er0。由于氦摻雜致使Er的增加將驅(qū)動裂紋更易擴(kuò)展，促使了材料的脆化。該應(yīng)變能釋放值Er隨著氦團(tuán)簇與裂紋尖端距離(DTC)的增大，而非線性地減小，直至DTC達(dá)到臨界值6.5a0(a0為fcc鎳的晶格常數(shù))，Er接近Er0，這表明DTC在