非均匀形核对辐照诱导钨内微结构演化行为影响的团簇动力学模拟

金属钨(W)及其合金作为未来聚变堆最具应用前景的面向等离子体结构材料(PFMs),其服役性能直接影响聚变堆长期服役的安全性,辐照诱导W及其合金内微结构演化导致的辐照脆化现象始终是限制其工程应用的关键因素。本文基于分子动力学计算结果,进一步完善了辐照诱导材料微结构演化行为的团簇动力学模型,采用更加完备的物理模型描述材料内辐照缺陷的产生行为,并进一步探讨了W基体内辐照缺陷产生过程对微结构演化行为的影响。模拟结果表明,高能初始离位原子(PKA)诱发级联碰撞直接产生的缺陷团簇是W内位错环、空洞演化中最重要的形核机制;非均匀形核所产生的间隙团簇的扩散行为对位错环的长大行为有重要影响,会导致位错环尺寸分布中出现亚尖峰与台阶状形貌。     

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。     

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1/2［11^-1^- ］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1/2［11^-1^- ］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。     

化学气相沉积钨单晶管材表面{110}晶面构成分析

通过电解蚀刻和电子衍射分析了具有轴向[111]晶向的管状钼单晶基体化学气相沉积(CVD)钨单晶涂层的{110}晶面的构成。实验发现,当W单晶涂层的轴向具有[111]晶体取向时,通过电解蚀刻,在钨单晶涂层的表面可以获得高份额的{110}晶面。蚀刻出来的{110}晶面呈台阶结构,并同[111]     

高温He离子辐照GH3535合金的损伤效应

采用500 keV的He离子在750 ℃下对GH3535合金样品进行辐照，然后利用掠入射X射线衍射（GIXRD）、透射电子显微镜（TEM）和纳米压痕仪分别对样品的氦泡和位错环辐照缺陷的演化及纳米硬度的变化进行了研究。结果表明，GH3535合金晶格辐照后发生了轻微畸变；离子辐照在样品中形成了大量尺寸为2～5 nm的氦泡和位错环。辐照产生的氦泡和位错环等缺陷在基体中钉扎位错，从而使材料产生了辐照硬化现象，样品硬度随辐照剂量的增加而增大。当辐照剂量达2×1016 cm-2时，辐照样品发生了明显的硬化饱和现象，利用Nix Gao模型计算得此时的硬化程度为64%。     

高温He离子辐照GH3535合金的损伤效应

采用500 keV的He离子在750℃下对GH3535合金样品进行辐照,然后利用掠入射X射线衍射(GIXRD)、透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪分别对样品的氦泡和位错环辐照缺陷的演化及纳米硬度的变化进行了研究。结果表明,GH3535合金晶格辐照后发生了轻微畸变;离子辐照在样品中形成了大量尺寸为2～5 nm的氦泡和位错环。辐照产生的氦泡和位错环等缺陷在基体中钉扎位错,从而使材料产生了辐照硬化现象,样品硬度随辐照剂量的增加而增大。当辐照剂量达2×10~(16) cm~(-2)时,辐照样品发生了明显的硬化饱和现象,利用Nix-Gao模型计算得此时的硬化程度为64%。     

ODS-Eurofer钢微观结构及辐照硬化研究

研究了ODS-Eurofer钢的微观结构及辐照硬化现象。首先用透射电子显微镜(TEM)观察了ODS-Eurofer钢的初始微观组织结构,发现基体中不仅存在几nm至几十nm的氧化物弥散颗粒,还存在具有壳-核结构的大尺寸(直径大于100 nm)颗粒,并观察到纳米颗粒对位错线的钉扎作用。随后用能量为5 MeV的Fe~(2+)离子在300℃和500℃下辐照样品至25 dpa以模拟中子辐照,并用纳米压痕仪和TEM测试表征了辐照所致力学性能和微观结构的变化。结果表明,两种温度下辐照均引起硬度上升,500℃时由于辐照产生的点缺陷发生复合,导致硬化效应弱于300℃。用TEM观测辐照水平为25 dpa的损伤层发现有少量纳米尺寸位错环,这些位错环是辐照硬化的主要原因。ODS-Eurofer钢初始微观结构对辐照硬化有重要影响,其中晶界、纳米颗粒与基体界面、位错线等能捕获辐照过程中产生的点缺陷,从而抑制辐照位错环的生长。     

ODS-Eurofer钢微观结构及辐照硬化研究

研究了ODS-Eurofer钢的微观结构及辐照硬化现象。首先用透射电子显微镜(TEM)观察了ODS-Eurofer钢的初始微观组织结构，发现基体中不仅存在几nm至几十nm的氧化物弥散颗粒，还存在具有壳 核结构的大尺寸(直径大于100 nm)颗粒，并观察到纳米颗粒对位错线的钉扎作用。随后用能量为5 MeV的Fe²⁺离子在300 ℃和500 ℃下辐照样品至25 dpa以模拟中子辐照，并用纳米压痕仪和TEM测试表征了辐照所致力学性能和微观结构的变化。结果表明，两种温度下辐照均引起硬度上升，500 ℃时由于辐照产生的点缺陷发生复合，导致硬化效应弱于300 ℃。用TEM观测辐照水平为25 dpa的损伤层发现有少量纳米尺寸位错环，这些位错环是辐照硬化的主要原因。ODS-Eurofer钢初始微观结构对辐照硬化有重要影响，其中晶界、纳米颗粒与基体界面、位错线等能捕获辐照过程中产生的点缺陷，从而抑制辐照位错环的生长。     

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。     

立方相GaN外延层的X射线四圆衍射分析

本采用多功能四圆X射线衍射仪测绘出立方相GaN/GaAs(001）外延层的极图和倒易空间mapping,研究了六角相GaN和立方相微孪晶的取向、晶粒形状和极性等特征。结果表明外延层中片状六角相与立方相之间的取向关系为：（111）／／（0001）、＜112＞／／＜1010＞。由于（111）Ga面的外延速度远高于{111}N面,导致较多六角相和立方相微孪晶在[110]或[110]方向上的（111）Ga面和(111)Ga面上形成,而在[110]或[110]方向上六角相和立方相微孪晶含量较低。外延层中立方相微孪晶的含量明显低于六角相,表明六角相的形成可以更有效的释放局部应力集中。     

体心立方钨和铁中氦泡生长机制模拟研究进展

体心立方金属钨和铁作为核聚变反应堆的第一壁面向等离子体材料和第一壁结构材料处于高剂量的中子辐照环境中。辐照过程产生的氦原子易在金属内聚集形成氦泡,对材料微观结构和宏观力学性能产生极大影响。本文通过综合分析文献中关于通过第一性原理、分子动力学和蒙特卡罗方法对氦泡形核和生长机制,比较了不同模拟条件下氦泡的演化机制。分析表明,晶界、位错、空位等内部缺陷和温度等外部条件都对氦泡的形核及其生长机制有影响。在此基础上提出了下一步研究方向和思路。     

非晶材料的热膨胀系数和声子谱测量与纳米晶成形机制的关联

用熔体快淬法制备的非晶态合金经退火处理可形成纳米晶合金,其形成机制至今仍是研究的热点。国外纳米晶成形机制研究主要集中在添加元素在晶核的形成和长大过程中的作用等方面。本工作认为纳米晶的形成有着更深层的原因,结合长期以来关于因瓦合金的热膨胀系数和声子谱测量,以及最近纳米软磁材料的声子谱研究,指出非晶态合金中的声子软化现象反映出原子间的相互作用力减弱,非晶合金体系处于结构松散状态,非晶合金的这种结构不稳定性才是造成其在晶化初期易于爆发式大量形核,并进一步形成均匀分布的纳米晶的主要原因。     

体心立方钨和铁中氦泡生长机制模拟研究进展

体心立方金属钨和铁作为核聚变反应堆的第一壁面向等离子体材料和第一壁结构材料处于高剂量的中子辐照环境中。辐照过程产生的氦原子易在金属内聚集形成氦泡,对材料微观结构和宏观力学性能产生极大影响。本文通过综合分析文献中关于通过第一性原理、分子动力学和蒙特卡罗方法对氦泡形核和生长机制,比较了不同模拟条件下氦泡的演化机制。分析表明,晶界、位错、空位等内部缺陷和温度等外部条件都对氦泡的形核及其生长机制有影响。在此基础上提出了下一步研究方向和思路。     

锆合金原位离子辐照条件下的位错环演化研究

位错环演化是核用锆合金辐照组织演化的主要特征之一,对合金辐照后的力学性能（强度、塑性等）有着决定性的影响。目前,锆合金辐照位错环演化的实验研究主要基于离位中子或离子辐照,无法直接观察位错环的演化过程。为了更深入地理解锆合金辐照下的微观组织演化,本工作采用先进的原位离子辐照实验方法,实时观察Zr-2合金位错环的演化过程,揭示不同辐照损伤剂量和温度对演化过程的影响规律,并结合弥散障碍物硬化模型对合金的辐照硬化性能进行了评估,验证了原位离子辐照用于研究锆合金包壳材料辐照后位错环演化和力学性能评价的可行性和先进性。      

低能氦离子辐照对钨和钼材料的表面损伤作用

钨和钼材料具有高熔点、高热导率、低溅射率等优点成为国际热核实验反应堆计划中面向等离子体材料的候选材料。因此研究钨和钼材料的辐照损伤行为对于认识面向等离子体材料的辐照损伤机制具有重要意义。本文采用120 e V的He+在873 K对钨和钼材料进行辐照实验,利用纳米压痕仪与导电模式原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscopy,CAFM)相结合,原位比较了钨和钼材料在辐照前后的表面形貌、表面微结构以及表层缺陷分布的变化特征。结果表明,低能He+辐照会导致钨和钼材料的近表面产生纳米量级氦泡缺陷,这些氦泡缺陷的存在使得样品表面产生绒毛或波浪状结构。纳米压痕深度分析和扫描电镜的分析结果表明,低能He+辐照会对Mo材料产生明显的刻蚀作用。本工作对于进一步认识低能氦离子辐照对面向等离子体材料的辐照损伤作用具有一定的科学参考意义。     

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.     

Zr-4合金的表面晶粒细化研究

通过超声喷丸在Zr-4合金表面获得细晶组织,采用金相显微镜、X射线衍射(XRD)以及场发射扫描电镜(FEG-SEM)观察处理前后锆合金的晶粒组织变化.结果表明,喷丸后样品从表面到芯部依次为:纳米晶(厚度约为60 μm)、超细晶(厚度约为160 μm)和原始组织.喷丸处理的晶粒细化机制为剧烈塑性变形.主要过程包括:孪晶、位错萌生-位错纠缠-晶粒分割-取向随机化.     

美国一体化快堆开始燃烧武器级核材料

[美国《核新闻》1994年1月号第66页报道] 在联邦政府各部门的资助下,美国一体化快堆(IFR)项目在1994财政年度继续实施。目前正着手证实如何利用这种液态金属冷却堆(LMR)燃烧核武器级钚燃料。1994年1月,由武器级核材料制成的一个燃料组件将装进爱达荷州实验增殖堆(EBR—Ⅱ),它是用作IFR型堆概念设计的原型堆。虽然1994财政年     

辐照硬化位错动力学模拟的研究进展

辐照硬化是金属材料的辐照效应之一,开展辐照硬化机理研究有助于设计可靠的反应堆结构材料。辐照产生的缺陷会对位错运动造成阻碍,被认为是辐照硬化的主要原因。近年来快速发展的位错动力学模拟方法为材料的微观组织变化和宏观力学性能之间建立起了桥梁,被广泛用于辐照硬化机理研究。对于一些辐照缺陷如位错环和层错四面体,位错动力学软件已能模拟它们对位错网络演化以及宏观力学响应的影响,使辐照硬化的定量预测成为可能。本文从位错动力学模型、不同类型辐照缺陷硬化效应的位错动力学模拟以及辐照硬化理论模型发展三个方面,综述了辐照硬化位错动力学模拟的研究进展,并展望该研究领域的主要科学问题。     

钛中氦泡融合的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法模拟了金属钛中氦泡的融合,分析了氦泡融合对金属微结构的影响,对比了氦泡在金属块体内部与接近金属表面处融合的异同。研究表明:在金属块体内部,两氦泡的融合会在其周围诱发很多缺陷且范围逐渐扩大;直径均为1.77nm的两氦泡的融合会在二者周围形成位错环,位错环内金属原子的排列与基底的一致;两氦泡发生融合后由哑铃状向椭球形演化。在接近金属表面处,由氦泡融合诱发的缺陷易于向金属表面移动,氦泡周围的金属易于向晶体结构恢复;两氦泡发生融合后由哑铃状向半球形演化。