【摘 要】
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体心立方结构的铁及铁合金在核(原子能)工业领域是常见的结构材料。其中低活性铁素体/马氏体钢是聚变堆结构材料的候选材料。在14MeV中子的辐照下,由于(n,α)核反应,结构材料中将产生大量的He原子。一般结构材料是由多晶组成,包含大量的晶界,所以研究He泡在铁及铁合金晶界中的行为是发展耐辐照结构材料的重要研究课题之一。为了进一步理解多晶材料的辐照损伤效应,本文通过计算机来模拟缺陷在晶界中的演化。论文
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体心立方结构的铁及铁合金在核(原子能)工业领域是常见的结构材料。其中低活性铁素体/马氏体钢是聚变堆结构材料的候选材料。在14MeV中子的辐照下,由于(n,α)核反应,结构材料中将产生大量的He原子。一般结构材料是由多晶组成,包含大量的晶界,所以研究He泡在铁及铁合金晶界中的行为是发展耐辐照结构材料的重要研究课题之一。为了进一步理解多晶材料的辐照损伤效应,本文通过计算机来模拟缺陷在晶界中的演化。论文中建立了体心立方结构晶体绕<110>、<100>轴旋转而成的63个晶界。并用分子动力学方法研究了晶界中HenVm(n=1~20,m.0,1,3,5)的性质,以及室温下He原子在晶界∑3<110>{121}界面处的行为。本文从晶界结构与晶界性质等方面着手,研究了体心立方结构晶体绕<110>、<100>轴旋转而成的晶界。首先从形成能与势能两方面研究了OK下He团簇在两组晶界中的性质。计算结果表明,团簇的形成能在晶界中比在晶体中低,当晶界中He团簇中的He原子或者空位数目逐渐增加时,不同的晶界乃至完美晶体中He团簇的平均形成能与平均势能将不断减小。在绕<110>轴旋转而成的晶界中,随着HenVm团簇中He原子或者空位的逐渐增多,不同的晶界对HenVm平均形成能与势能的影响差别渐渐衰减;在绕<100>轴旋转而成的晶界中,随着HenVm团簇中He原子逐渐增多,不同的晶界对He团簇平均形成能与平均势能的影响差别的衰减不是很明显。在体系温度升至300K与500K时,在绕<110>轴旋转而成的晶界中,随着He原子数目不断增多,晶界中Hen(n=2-20)团簇的平均势能明显减小,而且平均势能受晶界影响的差异也明显变小;随着温度的升高,Hen团簇在晶体中的平均势能减小,但在晶界中的平均势能随温度变化不明显。Hen团簇是微观的结构缺陷,而且在晶界中较稳定,所以对于核材料而言,He泡最初的结核在晶界处的几率较大。本文通过分子动力学模拟方法来研究He原子在晶界∑3<110>{121}界面处的行为。从分子静力学与分子动力学两方面都可以说明晶界可以容纳点缺陷,尤其是自间隙原子。静力学的计算结果表明,自间隙原子、He的间隙原子与替代原子在晶界处的形成能锐减,而此晶界界面对空位形成能的影响不明显。在分子动力学计算中,通过统计晶界内的点缺陷,发现晶界中的点缺陷要多于参考体系中的点缺陷。从缺陷种类与数目的统计数据中可以看出,在所研究的时间尺度范围内,晶界影响点缺陷的演化行为。同时我们也统计了晶界中的He团簇,与参考体系相比,HenV(n=2,3)型团簇数目在有界面的系统中随He浓度的增加而有所减少,但HeV型团簇则有所增加。在模拟过程中,可以观察到界面处He泡的形成与演变,说明界面促进界面处氦泡的形成。界面处He团簇的结构趋于对称,这与第一性原理的研究结果吻合。本论文由以下几个章节构成:第一章是绪论;第二章是论文中所涉及到的理论知识及概念;第三章是建立晶界的模型与参数;第四章是不同晶界中He团簇的性质;第五章是用分子动力学方法模拟He原子在晶界∑3<110>{121}界面处的行为;第六章是总结和展望。
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