基于Burgers向量提取与分析的改进PRD算法在位错环模拟中的应用

RAFM钢经中子辐照后会产生两种类型的间隙位错环(1/2〈111〉环和〈100〉环),导致长时间服役后出现辐照硬化与脆化现象,因此理清不同类型位错环的形成与转变过程对材料微结构演化及性能预测具有重要意义。本文基于加速分子动力学中的并行副本复制法(PRD),通过分析位错环转变的机理特性,提取Burgers向量,改进了PRD在位错环模拟上的应用,实现了〈100〉环向1/2〈111〉环的加速转变现象模拟。结果表明:在1000 K下,采用改进PRD算法程序进行模拟,小尺寸〈100〉环会发生向1/2〈111〉环的转变,转变时间比传统分子动力学方法更快;大尺寸〈100〉环会出现〈100〉位错段和1/2〈111〉位错段共存的状态,甚至在带有Ni溶质元素的〈100〉环中还发现了完全转变到1/2〈111〉位错环的现象。此外,对程序模拟的准确性进行验证并分析评估了加速性能与并行性能,通过与原PRD算法对比,发现其并行效率远高于原PRD,并行效率在90%左右,且并行规模的增加对于并行性的影响不大,可以很好地进行大规模并行扩展。

聚变材料钨辐照后退火形成的位错环特性及inside-outside衬度分析

对纯钨透射电镜薄膜样品在400℃进行了58 keV、1×10^(17)cm^(-2)(约0.1 dpa)的氘离子辐照,辐照后进行了900℃/1 h的退火处理.离子辐照产生了平均尺寸为(11.10±5.41)nm,体密度约为2.40×10^(22)m^(-3)的细小位错环组织,未观察到明显的空洞组织.辐照后退火造成了位错环尺寸的长大和体密度的下降,分别为(18.25±16.92)nm和1.19×10^(22)m^(-3).通过透射电镜的衍射衬度分析,判断辐照后退火样品中的位错环主要为a/2<111>类型位错环.通过“一步法”inside-outside衬度分析判断位错环为间隙型位错环.辐照后退火还造成了较大位错环之间接触融合,形成不规则形状的大型位错环.此外,退火后样品中还观察到了尺寸为1—2 nm的细小空洞组织.

〈100〉间隙型位错环在纯钨及含氦杂质钨(010)表面下运动行为的分子动力学模拟

在聚变辐照环境下,面向等离子体材料钨的近表层中会产生位错环缺陷,影响材料的力学性能和氢/氦滞留.本文通过分子动力学方法,从原子层次研究了半径1 nm的〈100〉间隙位错环在W-(010)近表面的迁移行为,分析取向、温度、深度因素和间隙原子对的存在对位错环运动的影响.结果表明:b//n(b代表柏氏矢量,n代表表面法线方向)位错环易向表面移动,b⊥n位错环倾向滞留在材料内,移动过程中伴随着惯习面翻转和内应力释放;b//n位错环在温度高于800 K且深度小于5 nm时逸出表面的概率超过90%,其他模拟情况下基本全滞留;b⊥n位错环可在温度800 K且深度小于2 nm时逸出表面,而在更深处位错环不易移动,但会在温度升高时发生〈100〉环分解为1/2〈111〉位错的现象;氦原子对的存在阻碍位错环迁移,延长其在材料内的滞留时间,同时内应力场的变化导致氦在近表层分布不均匀.

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。

氢离子辐照纯钒中形成的位错环

钒合金作为聚变堆候选材料,其辐照损伤行为一直是关注的重点.研究辐照时形成的位错环的性质,其意义在于揭示纯钒中辐照空洞的长大机理.这种机理表现为不同类型位错环对点缺陷吸收的偏压不同,从而影响金属的辐照肿胀.本文利用加速器对纯钒薄膜样品进行氢离子辐照,然后,利用透射电镜的inside-outside方法分析氢离子辐照所形成的位错环的类型.结果表明,在氢离子辐照纯钒中没有发现柏氏矢量b=<100>的位错环,只有柏氏矢量b=1/2<111>和b=<110>的位错环,这两种位错环的惯性面处于110—112之间.能确定性质的位错环全部为间隙型位错环,未发现空位型位错环.

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.

位错环上的Cr偏析对辐照硬化影响的原子尺度模拟研究

低温辐照脆化是影响低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢服役的主要问题之一。RAFM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、析出物等)阻碍位错运动。本文利用分子动力学方法研究了bcc-Fe内刃型位错线与1/2〈111〉间隙位错环的相互作用,并对比分析了Cr偏析在位错环上对其硬化的影响。研究结果表明:刃型位错线挣脱位错环所需临界剪切应力(CRSS)与位错环的伯格斯矢量有关;在本文所研究条件下,在一定温度范围内,Cr偏析在位错环上会使得位错线挣脱所需CRSS增加,引起硬化增强。

Cr对离子辐照后Fe-8Cr中的位错环的影响

低活化铁素体/马氏体钢是第四代裂变堆和未来聚变堆的候选结构材料,其主要成分为Fe-8Cr合金。为了研究其辐照行为,对Fe-Cr二元合金辐照后产生的位错环进行了分析。在室温下对纯Fe和Fe-8Cr注入氦离子,随后在超高压透射电子显微镜中时效(773K/1h),并在773K进行电子束辐照并进行原位观察。结果发现,室温注氦后两种样品中产生的缺陷在773K聚集成间隙型位错环,这些位错环在随后的电子束辐照下不断长大。纯铁和Fe-8Cr中的位错环在电子束辐照下的长大速率近乎相同,但Fe-8Cr中位错环的密度比纯铁高一个数量级,而其尺寸比纯铁中的小的多。分析表明,辐照过程中Fe-8Cr中Cr团簇的富集阻止了位错环的移动。

基于激子理论的硅基位错环发光器件模型参数的计算

针对硅基位错环发光器件,根据激子理论的速率方程描述了发光二极管的光电特性,提出了一种模型参数的计算方法,建立了便于计算机仿真的HSPICE模型.计算的参数与已报道的实验基本一致,特别是理想系数大于2,束缚激子的热激活能级为6.3 meV,自由激子复合概率和束缚激子分裂概率的比为0.006等参数比较符合物理事实.并得到了束缚激子和自由激子的发光强度与温度和注入电流的相互关系.结果表明激子在位错环发光器件中具有重要作用.

注氘纯钒中位错环的原位观察

研究了室温注氘纯钒在电子辐照下位错环的变化。纯钒室温注氘后分别在500,550℃通过超高压透射电子显微镜(HVEM)观察分析了在电子辐照下的微观结构变化。结果表明:500℃电子辐照时,位错环没有明显的变化;在550℃时效后形成的位错环尺寸比500℃略有增加,在550℃继续进行电子辐照,位错环在尺寸和密度上同样没有变化。与纯铁相比,纯钒中的缺陷团簇在辐照下的稳定性更高。

形变铝中位错胞壁和位错环

在ＴＥＭ中采用衍衬成像方法系统观察了在室温下形变纯铝中位错胞壁的形成与发展，以及位错环的出现。获得了胞壁的平均宽度及位错环的平均尺寸随应变的变化规律。

离子渗氮层中γ′-Fe_4N相内位错环和层错类型的研究

用透射电镜衍衬方法测定了稀土催渗离子渗氮层中γ'-Fe_4N相内位错环及层错的类型。结果表明,位错环为b=1/3[111]空位型,其形成原因是:在离子渗氮过程中,高能离子的持续轰击导致大量空位点缺陷的产生,随后空位聚集成空位片,最终崩塌形成位错环;而层错类型为抽出型,其两边的不全位错是1/6(112)型Shockley不全位错,它们是由全位错1/2[110]=1/6[121]+1/6[211]反应分解形成的。

表面半位错环能量修正系数的计算

从弹性位错理论出发,介绍了表面半位错环的弹性自能,通过位错环产生的应力场,给出了表面半位错环的能量修正系数及计算结果。认为所给出的其弹性自能的精确表达式是分析位错从材料表面生成的理论基础。

体心立方Fe中<100>位错环对微裂纹扩展影响的分子动力学研究

在辐照环境下,载能粒子与材料相互作用导致材料中原子移位,造成辐照损伤.其中,由辐照形成的过饱和自间隙原子团簇形成的间隙型位错环,是体心立方Fe为基的材料中常见的辐照缺陷之一,其与材料中其他缺陷之间相互作用,是导致辐照硬化、脆化、肿胀及蠕变等辐照损伤的原因之一.除此相互作用外,在材料表面或内部沿晶界、沉积相、惰性气体形成的气泡所导致的微裂纹,是诱发辐照促进应力腐蚀开裂的重要原因.因此,理解辐照条件下间隙型位错环与微裂纹之间的相互作用,是理解辐照促进应力腐蚀开裂微观机制的重要一步.在本研究中,利用分子动力学方法,模拟了原子尺度微裂纹与间隙型位错环之间的相互作用,研究了位错环与微裂纹之间的距离、相对位置及位错环尺寸对二者相互作用的影响,揭示了位错环对微裂纹是否沿滑移面扩展的影响,发现当二者的相互作用起主导作用时(如在临界水平或垂直距离之内),形成的以<100>为主或高密度的1/2<111>位错网络可以抑制微裂纹沿滑移面的扩展.当位错环尺寸发生变化时,只有当位错环位错核与微裂纹尖端相互作用时,才能抑制微裂纹沿滑移面的扩展.这些结果为进一步理解辐照应力开裂提供了新的参考.

不同温度下bcc-Fe中螺位错滑移及其与^(1/2)[111]位错环相互作用行为

采用分子动力学方法模拟研究了不同温度下bcc-Fe中螺位错滑移行为和螺位错与^(1/2)[111]位错环相互作用机制.结果表明,螺位错在低温2 K剪切应力下主要沿(211)面滑移;随温度逐渐升高到823 K,它容易发生交滑移,该交滑移在(110)和(211)面之间交替进行,因此随温度升高,临界剪切应力逐渐降低.当螺位错滑移靠近位错环时,不同温度下螺位错与位错环相互作用机制不同:低温2 K时,螺位错与位错环之间存在斥力作用,当螺位错滑移靠近位错环过程中,螺位错发生交滑移,切应力比无位错环时有所降低;中温300 K和600 K时,螺位错与位错环间斥力对螺位错的滑移影响减弱,螺位错会滑移通过位错环并与之形成螺旋结构,阻碍螺位错继续滑移,切应力有所升高;高温823 K时,螺位错因热激活更易发生交滑移,位错环也会滑移,两者在整个剪切过程中不接触,剪切应力最低.

淬火态Al-Zn-Mg-Cu合金中位错环的形成机理研究

采用透射电子显微镜和原位拉伸实验,研究了淬火态Al-Zn-Mg-Cu合金中三种不同组态的位错环及其形成机理。包括因Al3Zr析出相颗粒与Al基体晶格失配及热膨胀系数差异在Al3Zr颗粒周围形成的位错环;蜷线位错分解形成的位错环;以及因微区成分不均匀或局部缺陷导致的滑移带前端位错绕过或交滑移形成的位错环。研究表明,通过对纳米析出相在Al基体中微观组态的控制和高温淬火处理,可以调控Al合金中位错环的尺寸和三维空间分布。

表面效应对铁<100>间隙型位错环的影响

在材料辐照损伤过程中,间隙型位错环的形成及动力学行为严重影响材料在辐照条件下的服役行为.在常用的以体心立方铁为基的合金材料中,1/2<111>和<100>是两种主要的位错环,其对辐照损伤的影响一直都是核材料领域研究的热点之一.在之前的研究中,人们对{111}面与单个1/2<111>位错环的相互作用进行了深入研究,发现表面对位错环性质确实有重要的影响.采用分子动力学方法,在原子尺度详细研究了另一个重要的表面铁{100}面对<100>间隙型位错环动力学过程的影响.模拟发现位错环伯格斯矢量与表面法线方向的关系、距表面的深度、位错环之间的相互作用以及温度等,都对位错环与表面的相互作用产生重要影响,其中,表面作用下的伯格斯矢量的演化以及<100>位错环在此过程中的一维运动首次被发现.基于这些模拟结果,就<100>位错环对表面辐照损伤结构的影响进行详细地研究,给出<100>位错环对表面凹凸结构的贡献,这些结果为理解辐照过程中材料表面的演化提供一种可能的解释.

注氢纯铝中间隙型位错环一维迁移现象的原位观察

核聚变堆材料在高能粒子辐照过程中会产生大量点缺陷,导致辐照脆性和辐照肿胀等现象.因而,研究点缺陷在辐照过程中的演变过程至关重要.点缺陷团簇的一维迁移现象是这种演变过程的主要研究内容之一.本文采用普通低压(200 kV)透射电镜,在室温条件下对注氢纯铝中的间隙型位错环在电子辐照下的一维迁移现象进行了观察和分析.在200 keV电子辐照下,注氢纯铝中的位错环可多个、同时发生一维迁移运动,也可单个、独立进行一维迁移运动.位错环沿柏氏矢量1/3<111>的方向可进行微米尺度的一维长程迁移,沿柏氏矢量1/2<110>的方向一维迁移也可达数百纳米.电子束辐照时产生的间隙原子浓度梯度是引起位错环一维迁移并决定其迁移方向的原因.位错环发生快速一维迁移时,其后会留下一条运动轨迹;位错环一维迁移的速率越快,运动的轨迹则越长,在完成迁移过后的几十秒内这些运动轨迹会逐渐消失.

BCC-Fe中螺位错与[010]间隙位错环相互作用分子动力学模拟

本文利用分子动力学方法对BCC-Fe中螺位错与[010]间隙位错环的相互作用机制进行了模拟,研究结果表明,螺位错在不同温度下滑移靠近不同尺寸位错环时,它们之间的相互作用机制不同。当位错环尺寸为1.5 nm时,位错环在2 K下稳定存在,螺位错在剪切应力作用下滑移通过它,并与之位错反应生成[111]位错环,临界剪切应力明显增加;随温度升高到300 K和600 K,[010]位错环因稳定性降低会转变为[111]位错环,该位错环与螺位错反应可生成[010]位错片段,对螺位错阻碍作用逐渐变弱,临界剪切应力增量逐渐降低;随温度进一步升高到823 K,螺位错易交滑移,其与位错环始终无接触,因此无阻碍作用。当位错环尺寸增大到4 nm时,[010]位错环稳定性增加,300~823 K下位错环对螺位错滑移阻碍作用也明显增加。

Cu-Al25合金中小Frank位错环的TEM分析

Ａｌ２Ｏ３颗粒弥散强化的Ｃｕ－Ａｌ２５合金是用于国际核聚变反应堆高热流材料的重要侯选材料。它的辐照损伤微观结构机理研究倍受国际学术界关注。本工作对其进行了３００ｋｅＶＣｕ＋离子辐照，以模拟１４ＭｅＶ中子辐照产生的高能初级离位原子（ＰＫＡ）及其在材料中...