氦摻雜誘發(fā)金屬鎳脆化的原子水平研究.pdf

1、在核技術和核工業(yè)領域中，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，惡化了材料的力學性能，因此很有必要對氦在金屬體內(nèi)的聚集、遷移、擴散以及與各類缺陷的相互作用進行深入的研究，進而探討這些微觀結構演化與材料力學性能之間的密切關系。目前，人們利用理論和實驗的手段試圖從各種層次進行

2、相關的研究。其中計算機模擬方法(包括第一原理計算，分子動力學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性能的改變，有關方面的研究仍知之甚少。本文以fcc鎳金屬為例，應用Griffith理論計算裂紋擴展過程體系應變能的改變，在原子水平研究金屬材料的脆化。首先設計了一個有微裂紋的鎳金屬襯底，并用分子動力學方法計算裂紋擴展時體系在彈性應變中釋放的能量。在同樣的缺陷條件下，將有氦團簇時的應

3、變能釋放值(Er)與無氦時的相應值(Er0)進行比較，通過計算氦團簇注入后應變能釋放值的改變，研究它對材料脆化的影響。 我們發(fā)現(xiàn)，裂紋擴展時系統(tǒng)應變能釋放值Er顯著高于無氦團簇摻雜時的應變能釋放，Er0。由于氦摻雜致使Er的增加將驅動裂紋更易擴展，促使了材料的脆化。該應變能釋放值Er隨著氦團簇與裂紋尖端距離(DTC)的增大，而非線性地減小，直至DTC達到臨界值6.5a0(a0為fcc鎳的晶格常數(shù))，Er接近Er0，這表明DTC在