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《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》 2016年
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金属镍中氦与位错相互作用的原子尺度模拟

许健  
【摘要】:反应堆材料在极其恶劣服役环境下(如高温,高压,高通量的中子辐照)的性能对反应堆的安全性起着决定性的作用。反应堆材料的挑战之一是金属结构材料普遍面临的氦脆问题。金属结构材料中产生氦的方式有很多种,例如裂变反应堆内部核反应所产生的中子与结构材料发生的(n,α)嬗变反应;聚变堆的第一壁材料表面受到来自等离子体α粒子的轰击而导致氦的积累以及储氚(tritium)材料中因氚衰变而产生氦等方式。由于氦是惰性气体,具有满壳层的电子结构,因此它不溶于金属材料基体。而材料中积累的氦易于被空位(Vacancy,V)捕获形成He-V团簇,甚至形成氦泡,氦泡易于被捕陷于位错,晶界等缺陷处并进一步粗化,从而导致材料的宏观物理性能与力学性能降低,如:强度和延展性降低、低温辐照硬化和材料寿命的降低。因此,深刻地理解金属中氦与各种缺陷(如位错)的相互作用及氦的扩散、聚集、氦泡形核及粗化等演化行为的微观物理机制,对于核能结构材料是很有必要的。与奥氏合金相比,镍基合金具有良好的抗(熔盐)腐蚀,抗蠕变断裂性能和高温强度,在第IV代核能系统中,是最有潜力的结构材料。为了最终能解决镍基合金中由氦引发的脆化问题,首先必须理解镍中氦的行为。此外,钚(239Pu)是核反应堆中被广泛使用的核燃料,它在存储和服役过程中衰变产生高能α离子,也将使它面临着氦脆的问题。由于Pu具有很强的放射性和化学毒性且电子结构非常复杂,Pu中的“氦效应”不论是理论计算或实验研究都十分困难。因此我们可以选择具有相同的晶体结构或电子结构的常规材料(例如镍)来代替Pu,为Pu中的氦以及氦与缺陷相互作用的微观演化行为起到一定的指导作用。因此,在本文中我们选取的研究对象为纯Ni。本文基于嵌入原子势(EAM),采用NVT系综弛豫的分子动力学(molecular dynamics)方法,系统地模拟研究了He与纯Ni不同类型的位错的相互作用。首先,研究了氦原子与四种不同的位错之间的相互作用,计算了氦原子的结合能分布,进而得到了这四种位错捕陷氦原子能力的强弱。另外还发现位错的分解和运动与引入氦的位置,氦相对于partial cores位置以及引入的区域有关,这可能会导致氦对partial cores的钉扎作用。其次,研究了氦对螺位错分解的影响,在滑移面上均匀分布的He会使螺位错分解的宽度变小,其原因是由于氦诱导的平面滑移特性(partial cores相互吸引而靠近)使本征层错能(SFE)增大。
【关键词】:分子动力学 嵌入原子方法(EAM) 位错 分解 层错能
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TL34;TG146.15
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-21
  • 1.1 引言10-12
  • 1.2 氦在金属中行为的研究历程及现状12-14
  • 1.3 金属中氦的基本特性14-17
  • 1.3.1 氦原子在金属中可能占据的位置15
  • 1.3.2 氦在金属中的一些特征能量15-16
  • 1.3.3 氦泡的形核及粗化的物理机制16-17
  • 1.3.4 氦泡的运动和偏析17
  • 1.4 普遍的金属中氦的行为的研究方法17-19
  • 1.4.1 实验研究17-18
  • 1.4.2 理论模拟18-19
  • 1.5 本文研究的目的和意义19-20
  • 1.6 本文研究内容与方法20-21
  • 第2章 模拟计算方法-分子动力学(MD)21-27
  • 2.1 分子动力学方法21-24
  • 2.1.1 运动方程的数值解法-有限差分方法21-23
  • 2.1.2 系综简介23-24
  • 2.2 原子间相互作用势24-25
  • 2.3 结合能及层错能的计算25-27
  • 第3章 镍中氦与不同类型的位错的相互作用27-40
  • 3.1 引言27-28
  • 3.2 计算方法及位错模型28-32
  • 3.3 结果及分析32-38
  • 3.3.1 氦原子在四种位错模型中的结合能分布32-36
  • 3.3.2 氦原子与位错之间的相互作用36-38
  • 本章小结38-40
  • 第4章 镍中氦对螺位错分解的的影响40-48
  • 4.1 引言40-41
  • 4.2 计算方法及计算模型的构建41-42
  • 4.3 结果及分析42-47
  • 4.3.1 氦原子在扩展螺位错模型中的结合能分布43-44
  • 4.3.2 氦对堆垛层错(SF)的宽度以及广义层错能(GSFE)的影响44-47
  • 本章小结47-48
  • 总结与展望48-50
  • 附录A(攻读硕士期间所发表的学术论文目录)50-51
  • 致谢51-52
  • 参考文献52-62

【参考文献】
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