非均匀形核对辐照诱导钨内微结构演化行为影响的团簇动力学模拟

金属钨(W)及其合金作为未来聚变堆最具应用前景的面向等离子体结构材料(PFMs),其服役性能直接影响聚变堆长期服役的安全性,辐照诱导W及其合金内微结构演化导致的辐照脆化现象始终是限制其工程应用的关键因素。本文基于分子动力学计算结果,进一步完善了辐照诱导材料微结构演化行为的团簇动力学模型,采用更加完备的物理模型描述材料内辐照缺陷的产生行为,并进一步探讨了W基体内辐照缺陷产生过程对微结构演化行为的影响。模拟结果表明,高能初始离位原子(PKA)诱发级联碰撞直接产生的缺陷团簇是W内位错环、空洞演化中最重要的形核机制;非均匀形核所产生的间隙团簇的扩散行为对位错环的长大行为有重要影响,会导致位错环尺寸分布中出现亚尖峰与台阶状形貌。     

辐照导致奥氏体不锈钢内位错环演化行为模拟

为了描述和预测奥氏体不锈钢材料在辐照条件下位错环的演化行为,本文基于平均场速率理论结合分子动力学方法建立辐照诱导奥氏体不锈钢内位错环演化的物理模型,模拟电子、中子辐照诱导奥氏体不锈钢内位错环的演化行为,模拟结果与实验结果吻合很好。在此基础上探究了中子辐照产生的存活缺陷对材料内位错环演化行为的影响,研究表明级联碰撞过程中的缺陷存活率、缺陷成团率以及四间隙原子团簇所占的团簇份额是影响位错环演化行为的主要参数,而双间隙原子团簇份额和三间隙原子团簇份额之间比例对位错环的演化没有影响。     

锆合金原位离子辐照条件下的位错环演化研究

位错环演化是核用锆合金辐照组织演化的主要特征之一,对合金辐照后的力学性能（强度、塑性等）有着决定性的影响。目前,锆合金辐照位错环演化的实验研究主要基于离位中子或离子辐照,无法直接观察位错环的演化过程。为了更深入地理解锆合金辐照下的微观组织演化,本工作采用先进的原位离子辐照实验方法,实时观察Zr-2合金位错环的演化过程,揭示不同辐照损伤剂量和温度对演化过程的影响规律,并结合弥散障碍物硬化模型对合金的辐照硬化性能进行了评估,验证了原位离子辐照用于研究锆合金包壳材料辐照后位错环演化和力学性能评价的可行性和先进性。      

电子辐照条件下高纯铁中位错环演化的多尺度模拟

辐照诱导材料微观结构演化导致的材料力学性能降级或尺寸不稳定性是限制反应堆安全与经济性的关键因素之一。本文基于速率理论建立了辐照诱导材料微观结构演化的物理模型,并开发了模拟程序Radieff。采用分子动力学计算了高纯铁中缺陷的形成能、结合能、迁移能以及间隙原子位错环的构型,在此基础上模拟了电子辐照诱导高纯铁内位错环的演化过程,并与实验结果进行了对比。基于分子动力学的计算结果表明,当间隙原子团簇包含3个间隙原子时,团簇的排列方式为〈110〉构型,间隙原子团簇包含4个以上间隙原子时,团簇排列方式变为〈111〉构型。此外基于Radieff研究了400~600K温度范围内,损伤速率为1.5×10-4 dpa/s电子辐照条件下,位错密度对位错环演化的影响,位错密度对位错环数密度及其平均尺寸的影响取决于位错以及间隙原子团簇对间隙原子的阱强度;在464K和550K温度下辐照,位错环数密度及其平均尺寸分别在位错密度增加到1011 cm-2和1010 cm-2后急剧减小,这是由于此时位错对间隙原子的阱强度会大于间隙原子团簇对间隙原子的阱强度。     

指数时间差分方法在材料辐照损伤模拟计算中的应用

速率理论是一种用于模拟辐照诱导材料微观结构长时间演变过程的重要方法,其计算难点在于对大规模刚性的速率理论方程的数值求解。本文首次采用指数时间差分方法实现对速率理论方程的并行数值求解,分别给出了指数时间差分方法在热老化导致空洞演化和辐照诱导位错环演化模拟中的实现形式。测试结果证实了指数时间差分方法对大规模速率理论方程并行求解的可行性,有助于实现辐照诱导材料微结构长时演化行为的高效模拟。     

双束同时辐照低活性Fe-Cr-Mn(W、V)合金微观组织损伤的影响

研究了时效热处理低活性Fe Cr Mn(W、V)钢双束同时辐照损伤行为 ,结果表明 :92 3K/ 3 0 0 0h时效合金 ,经单独电子辐照 (1 0a- 1)出现低密度空洞 ,而经双束同时辐照的时效合金 ,在辐照初期就形成间隙型位错环和微小空洞。与无时效合金相比 ,随时效温度增加 ,空洞尺寸、空洞密度和空洞肿胀量增大。随时效温度的提高碳化物析出数量增多 ,奥氏体中合金元素Cr、Mn、W、V降低 ,He的存在有效地促进空洞肿胀量增大。     

辐照硬化位错动力学模拟的研究进展

辐照硬化是金属材料的辐照效应之一,开展辐照硬化机理研究有助于设计可靠的反应堆结构材料。辐照产生的缺陷会对位错运动造成阻碍,被认为是辐照硬化的主要原因。近年来快速发展的位错动力学模拟方法为材料的微观组织变化和宏观力学性能之间建立起了桥梁,被广泛用于辐照硬化机理研究。对于一些辐照缺陷如位错环和层错四面体,位错动力学软件已能模拟它们对位错网络演化以及宏观力学响应的影响,使辐照硬化的定量预测成为可能。本文从位错动力学模型、不同类型辐照缺陷硬化效应的位错动力学模拟以及辐照硬化理论模型发展三个方面,综述了辐照硬化位错动力学模拟的研究进展,并展望该研究领域的主要科学问题。     

双束（H+/e-）辐照下氢对12Cr-ODS铁素体钢组织损伤影响研究

利用氢离子（H⁺）束和电子（e^-）束双束（H⁺/e^-）同时辐照用化学浸润法制备的新型12Cr-ODS铁素体钢,研究其辐照损伤效应及组织变化。实验结果表明：由于氧化物的钉扎,基体内保持低密度位错网络;辐照初期随辐照剂量的增加,缺陷团在位错线上及其周围形成,尺寸增加,密度不断增大,并形成间隙型位错环;不同温度下辐照均产生小尺寸高密度的空洞,随辐照剂量的增大,空洞长大速度降低,空洞密度缓慢减小;不同温度下,辐照剂量达15dpa时,空洞肿胀均小于0.15%。对辐照产生的点缺陷与氢相互作用进行理论分析,12Cr-ODS铁素体钢在623~823K经双束辐照后,表现出良好的抗辐照损伤性。     

氦对低活性Fe-Cr-Mn(W,V)合金辐照损伤影响

采用低能离子加速器和超高压电镜相连接复合辐照装置,研究注入He后经电子束辐照,观察低放射性Fe-Cr-Mn（W,V）合金的辐照损伤特征;研究He对辐照过程中产生二次缺陷,空洞肿胀,诱起晶界偏析的影响。实验结果证明He的存在,增加辐照初期位错密度,促进空洞核心形成及空洞肿胀增加,抑制晶界近旁溶质元素偏析。     

高温He离子辐照GH3535合金的损伤效应

采用500 keV的He离子在750 ℃下对GH3535合金样品进行辐照,然后利用掠入射X射线衍射（GIXRD）、透射电子显微镜（TEM）和纳米压痕仪分别对样品的氦泡和位错环辐照缺陷的演化及纳米硬度的变化进行了研究。结果表明,GH3535合金晶格辐照后发生了轻微畸变;离子辐照在样品中形成了大量尺寸为2～5 nm的氦泡和位错环。辐照产生的氦泡和位错环等缺陷在基体中钉扎位错,从而使材料产生了辐照硬化现象,样品硬度随辐照剂量的增加而增大。当辐照剂量达2×1016 cm-2时,辐照样品发生了明显的硬化饱和现象,利用Nix Gao模型计算得此时的硬化程度为64%。     

200 keV Xe离子辐照后国产T92钢微结构变化研究

对国产T92钢进行200keV的Xe离子辐照试验,使用透射电子显微镜(TEM)考察该能量下不同辐照损伤剂量对其微观结构的影响,研究结果表明:T92钢典型的微观组织结构主要包括马氏体板条结构,碳、氮化合物颗粒和位错网络;辐照导致M23C6颗粒出现非晶化,且随着辐照损伤剂量的增加,非晶化越来越明显;辐照损伤剂量较小(1.4dpa和6.8dpa)时,辐照试样中出现黑斑结构(空位和间隙原子簇),所有的辐照试样中没有发现辐照产生的位错环和空洞。     

氦对低活性Fe-Cr-Mn(W,V)合金焊接热影响区辐照损伤的影响

采用高能离子加速器和超高压电镜连接装置 ,研究注入He后电子辐照和同时辐照 (He+ e-)低活性Fe Cr Mn(W ,V)合金焊接热影响区 (HAZ)损伤组织特点 ,测定He对损伤组织内晶界附近合金元素浓度变化的影响。实验结果表明 :He强烈促进辐照初期位错环和位错密度增加 ,促进HAZ辐照空洞核心形成及空洞肿胀增大。He有效抑制HAZ内晶界附近Cr、Mn浓度降低 ,对Ni,Si,V ,W元素浓度变化也有抑制作用。Fe Cr Mn(W ,V)合金焊接HAZ具有优良抗He气氛下的辐照损伤性能     

高温He离子辐照GH3535合金的损伤效应

采用500 keV的He离子在750℃下对GH3535合金样品进行辐照,然后利用掠入射X射线衍射(GIXRD)、透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪分别对样品的氦泡和位错环辐照缺陷的演化及纳米硬度的变化进行了研究。结果表明,GH3535合金晶格辐照后发生了轻微畸变;离子辐照在样品中形成了大量尺寸为2～5 nm的氦泡和位错环。辐照产生的氦泡和位错环等缺陷在基体中钉扎位错,从而使材料产生了辐照硬化现象,样品硬度随辐照剂量的增加而增大。当辐照剂量达2×10~(16) cm~(-2)时,辐照样品发生了明显的硬化饱和现象,利用Nix-Gao模型计算得此时的硬化程度为64%。     

FeNiCr等比多主元固溶体合金中弗兰克位错环与位错相互作用研究

<正>多主元固溶体合金凭借其优秀的高温力学性能与抗辐照性能,在第4代反应堆研究中得到广泛关注。很多文献报道了辐照后多主元固溶体合金的高温力学性能和辐照损伤研究工作。由于辐照会引入位错环、空洞和析出物等辐照缺陷,这些缺陷与位错相互作用会进一步影响多主元固溶体合金的辐照硬化程度,但相关机理目前尚不清楚。本文采用分子动力学方法对FeNiCr等比多主元     

FeCr合金中Cr含量对微观结构影响的原子尺度模拟研究

低温辐照脆化是影响铁素体/马氏体（F/M）钢服役的主要问题之一。F/M钢低温辐照脆化的主要机理是辐照产生的纳米缺陷（如位错环、α′相(富Cr团簇)等）阻碍位错运动。本文利用分子动力学方法和迈氏蒙特卡罗方法对F/M钢模型材料--FeCr合金（Fe7%Cr、Fe9%Cr、Fe14%Cr）中Cr元素析出成团簇及在位错环上偏析的机理进行研究,并分析Cr团簇析出与合金成分的关系以及位错环尺寸、位错环类型和合金中Cr含量对位错环上Cr偏析量的影响。模拟结果表明：热力学模拟后,高Cr含量（>9%)的FeCr合金中会析出Cr团簇,且基体内Cr含量越高,析出的Cr团簇尺寸越大;在所研究的3种FeCr合金中,受位错环张应力场作用,合金元素Cr均会在位错环的外围偏析,且FeCr合金中Cr含量越高,Cr在位错环上偏析量越高。低Cr的FeCr合金中Cr对其辐照硬化的影响需考虑位错环上Cr偏析的影响,高Cr的FeCr合金中Cr元素对其辐照硬化的影响需综合考虑Cr团簇及位错环上Cr偏析。     

中国低活化马氏体钢在电子辐照下产生位错环的原位观察

高流强的中子辐照在结构材料内部产生严重的级联离位损伤,使得材料性能下降,而辐照缺陷是聚变堆材料性能下降的根本原因.为了研究结构材料在高辐照剂量下的损伤机理,针对中国低活化马氏体钢(CLAM钢),通过使用高能电子辐照来模拟中子对材料造成的高剂量辐照损伤,并对微观结构进行原位观察.进行了辐照下产生的位错环随辐照剂量的演化过程的观察,并分析了位错环浓度和尺寸随辐照剂量和温度的变化规律.     

注氘低活化马氏体钢在电子辐照下的缺陷行为

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢被视为国际热核聚变反应堆以及聚变反应堆的第1壁候选结构材料之一,很多国家均在研究不同的RAFM钢,中国低活化马氏体(CLAM)钢的研究亦正在进行。核聚变会产生氢、氦、氘及氚,这些气体元素与辐照缺陷结合在一起,对材料的辐照性能会产生较大影响。本文对注氘后不同温度下的辐照后微观结构进行研究。试验利用日本北海道大学的JEOL-1300高压电子显微镜研究注氘CLAM钢从室温到873K在1250keV电子辐照下的微观结构变化。研究结果表明,在电子辐照下,注氘产生的缺陷团会出现消失和长大两种现象,意味着间隙型与空位型位错环在注氘过程中同时产生。并研究了注氘产生的空洞。     

500℃下中国低活化马氏体钢电子辐照缺陷行为的研究

利用超高压透射电子显微镜在500℃对两种不同成分的CLAM钢进行了小剂量的辐照实验,研究CLAM钢的辐照效应.发现在高能电子的辐照下,1号CLAM钢的微观结构发生了变化,产生了大量的位错环,研究了位错环形核和长大的规律;2号CLAM钢的微观结构也发生了变化,先产生位错环,而后形成了位错网络.     

弥散核燃料等效辐照肿胀计算模拟

本文将弥散核燃料芯体看作一种特殊的颗粒复合材料,利用细观计算力学的方法,假设燃料颗粒在芯体中周期性分布,建立了对芯体等效辐照肿胀进行计算模拟的有限元模型。考虑颗粒的辐照肿胀和基体材料的辐照硬化效应,分别建立了燃料颗粒和基体材料的应力更新算法,编制了用户材料子程序,在Abaqus软件中实现了芯体等效辐照肿胀的有限元模拟。计算分析了颗粒大小和体积含量对芯体等效辐照肿胀的影响,并得到了等效辐照肿胀的拟合公式。研究结果表明,影响芯体等效辐照肿胀的主要因素是颗粒的辐照肿胀和体积含量。     

合金的辐照肿胀与价电子结构的关系(英文)

根据经验电子理论对价电子结构的计算结果,研究了合金的价电子结构与其辐照肿胀行为的关系。以价电子结构的不同解释了三种首选合金在辐照肿胀行为上的差别,并阐明了铁镍基合金中含镍量和辐照肿胀抗力的内在联系。从价电子结构看,金属间化合物是很有潜力的抗辐照肿胀结构材料。