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钛辐照损伤中温度效应及晶界作用计算研究

曾维鹏  
【摘要】:核结构材料的辐照损伤失效行为是制约核电发展的关键技术问题之一,辐照诱发点缺陷经过长期的演化和积累会对材料的宏观性能造成严重的影响,最终使材料失效。“热峰”与“离位峰”对材料中辐照诱发缺陷的演化及分布有非常中要的影响,研究表明材料中的晶界对于提高材料的抗辐照性能有很重要的作用,然而在很多研究中只是定性的给出了“热峰”和“离位峰”区域大小及分布,而且人们对晶界对辐照诱发点缺陷的吸收机理也没有给出一致而确切的结论,因此对这些问题进行深入研究对于理解材料的辐照损伤行为非常有必要。 本文采用了根据级联碰撞特点调整后的分子动力学方法,模拟了hcp-Ti的中子辐照损伤行为,分析了不同条件下辐照诱发点缺陷形成及演化规律,重点通过辐照损伤温度效应探讨了“热峰”和“离位峰”区域大小及原子分布情况,并根据晶界区域固有缺陷深入研究了不同结构晶界与辐照诱发点缺陷的交互作用。 单晶体系缺陷形成演化研究主要得出以下规律:a)hcp-Ti在辐照损伤过程中有较强的缺陷复合能力,PKA能量大于离位阈能时体系内也不一定产生Frenkel缺陷对,离位阈能值存在着非常明显的各向异性特点,结果表明在原子密排方向离位阈值最小,而且随温度升高,不同方向的离位阈值有减小的趋势;b)较高的温度条件下,有更多的离位原子能够运动到离初始位置较远的地方,倾向于形成更多的稳定Frenkel缺陷对,缺陷演化分析结果也表明,温度升高稳定缺陷数有增加的趋势;c)稳定状态下体系缺陷团簇分析发现,hcp-Ti体系中相同条件下间隙原子团簇分数明显要高于空位团簇分数,温度对间隙原子团簇数量及大小都有很大的影响,但是对空位团簇分数影响不大。 辐照过程中温度效应研究表明,级联碰撞阶段在0.4ps左右基本结束,小立方体模型分析方法比球壳模型分析方法能够更加准确的分析出体系内温度场的分布、熔化区域大小和持续时间,结果显示熔化区域大小和持续时间与PKA能量和温度增加而增加;原子径向分布函数分析结果表明熔化区域存在明显的液化现象。 晶界作用研究体系主要包括两部分:双晶体系和多晶体系,双晶体系研究结果显示,∑380001{7180}晶界和∑20001{1120}晶界的晶界区域可以分别用位错模型和空位来描述,位错的点缺陷阱模型和空位与点缺陷相互作用特点可以很好的对这两种晶界在辐照稳定阶段晶粒内空位与间隙原子随PKA原子距晶界中距离d变化特点给出解释;辐照过程中空位组成的晶界比位错组成的晶界对高能量原子的阻碍作用更强,温度升高会削弱晶界对高能原子的阻碍作用;多晶体系分析结果表明,三个晶粒连接处最容易受到辐照损伤的影响,而且初次碰撞过程中hcp-Ti纳米晶并不能表现出很好的抗辐照性能。 本文通过纯金属体系在辐照条件下缺陷、温度效应及晶界作用的详细模拟研究,为今后合金及相界辐照损伤研究工作做准备,也对下一代快中子反应堆及核聚变反应堆结构材料的设计具有一定的指导意义。


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