面心立方晶体中位错-辐照层错四面体相互作用的动力学效应

通过原子模拟方法和理论建模,本文系统地研究了面心立方晶体Cu和Ag(低层错能材料)中刃型位错与辐照层错四面体(SFT)的交互作用过程,重点探讨和表征了动力学惯性效应对两者相互作用机制和辐照层错四面体障碍强度的影响.研究结果表明,位错切过层错四面体至少存在M1–M5五种机制,当位错滑移面离层错四面体基底足够远时,位错倾向于通过M1和M2机制直接切过层错四面体;当位错滑移面靠近层错四面体基底时,位错则选择通过M3–M5机制攀移绕过层错四面体.随着机制的转变,位错克服层错四面体临界切过应力(CRSS)也随位错与层错四面体交截面尺寸d呈现出两阶段的变化趋势.位错运动的动力学效应虽然不会显著改变位错与层错四面体相互作用机制,但会大大降低位错克服层错四面体所需的临界应力.有鉴于此,本文发展了一种能考虑位错与层错四面体相互作用机制转变和动力学惯性效应的两阶段辐照层错四面体硬化行为的理论模型.

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料,而以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构.深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义.基于以上考虑,论文采用分子动力学(MD)模拟,研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况,探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况.通过对原子模拟结果的深入分析,得到了以下主要结论:(a)辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构,引起渗碳体的分解,并促进碳原子向铁素体的扩散;(b)在单轴拉伸荷载作用下,级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为缺陷团簇附近位错环的形核与长大;(c)在单轴压缩荷载作用下,级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动;(d)在单轴拉伸和压缩情况下,级联碰撞(及辐照效应)都会提高珠光体的初始屈服应力.论文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观层面解释,对于辐照条件下铁素体合金钢的材料组织优化设计有一定的参考意义.

力-辐照耦合作用下FeCrAl包壳表面裂纹应力强度因子计算

为研究高辐照剂量情况下铁素体FeCrAl包壳管对断裂失效破坏的抵抗能力,利用有限元方法结合Zencrack软件中的裂纹块分析技术,计算了内压和辐照肿胀应力耦合载荷作用下FeCrAl包壳管轴向半椭圆表面裂纹的裂尖应力强度因子。获得了不同辐照肿胀应变分布情况下内、外表面不同深度裂纹的裂尖应力强度因子变化规律,分析了辐照肿胀效应的影响作用。研究结果表明,相比于均匀辐照肿胀应变分布情况,包壳管在径向方向存在线性梯度变化的辐照肿胀应变时,内表面轴向半椭圆裂纹的裂尖应力强度因子水平显著降低,而外表面轴向半椭圆裂纹的裂尖应力强度因子水平显著提升。

位错线与铁素体/氧化铁两相界面交互作用的原子模拟

氧化铁是包含铁素体相的核级钢材(如低合金钢与铁素体-马氏体双相钢)在高温环境下常见的表面氧化物和内部析出物。正确认识氧化铁对钢材微观变形机制的影响对设计运行温度较高的先进核能系统的安全评估有重要意义。本文采用分子动力学方法研究了温度对铁素体中的刃型位错与铁素体/氧化铁两相界面的交互作用的影响。计算结果表明,在10~900 K的温度范围内,刃型位错均无法穿透铁素体/氧化物两相界面,而只引起两相之间发生一定程度的相互剪切变形。随着温度的上升,位错与界面接触点附近的应力集中程度随之升高,另外界面间剪切变形量也同时增高。以上结果对于高温环境下低合金钢和铁素体-马氏体双相钢的断裂失效分析有一定的指导意义。

辐照准空位对金属玻璃增韧的影响

通过低能离子辐照,金属玻璃中会产生类似空位的微观结构缺陷,称为准空位.论文基于分子动力学模拟,研究了引入准空位的Cu50Zr50金属玻璃在单轴拉伸下的塑性变形行为,讨论了准空位的体积分数、分布区域对金属玻璃增韧效果的影响,探究了准空位在不同循环载荷作用下对金属玻璃的增韧效果.研究结果表明:引入准空位可以有效地增强金属玻璃的韧性;随准空位体积分数的增大,金属玻璃的变形模式发生了从脆性剪切破坏到均匀塑性变形的明显转变,使金属玻璃发生韧脆转变的临界准空位体积分数约为0.5%;准空位分布范围更广时,增韧效果更好;在循环载荷作用下,准空位的引入对金属玻璃韧性的提高仍然明显,当拉伸应变达到30%时,依旧能观察到非常均匀的塑性变形.对于一般的金属和合金,辐照引入的空位和间隙原子以及由此进一步演化形成的孔洞、析出相、位错环或层错四面体通常使得材料更加脆化.然而,对于金属玻璃而言,辐照形成的空位不易扩散和进一步演化,反而可能增加该材料的韧性.