Cr在FeCr合金中扩散过程的原子尺度模拟研究

摘要

铁素体/马氏体钢在强辐照下具有优异的几何稳定性、抗辐照肿胀和优良的耐腐蚀性能等特性，所以被认为可以作为未来聚变示范堆和第四代核反应堆重要候选结构材料之一。研究表明，Cr的加入对FeCr合金辐照性能产生了很大的影响，研究合金中Cr的行为，对于理解FeCr合金的辐照性能有着重要意义。F/M钢在辐照过程中，会出现富Cr的α'相，其会导致富Cr的FeCr合金脆化。然而α'相的形核过程的细节还不清楚，要想弄懂形核机理，必须了解合金中原子扩散过程。因此本文通过计算机模拟方法来研究Cr在Fe-Cr合金中扩散过程。
　　首先通过原子模拟方法，用2BM(two band model)势函数模型计算了空位和点缺陷的能量特征，并与文献值进行了对比，结果比较接近。在不同的温度和空位浓度条件下，对Fe-1％Cr合金进行分子动力学模拟计算，通过计算原子的均方位移，分别得到了纯Fe和合金中Cr原子的扩散系数。此外，按照固体中杂质扩散的五频率模型，计算了合金中Cr原子的扩散系数，并将其与分子动力学计算结果进行了对比，结果比较吻合。
　　另外选取了Fe-5％Cr、Fe-10％Cr、Fe-15％Cr、Fe-20％Cr四种高浓度Cr的合金体系，通过分子动力学方法再计算了Cr的扩散系数，得出随着Cr的浓度的增加，其扩散系数越来越大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 计算机模拟方法

1．4 Fe-Cr体系的势函数模型

1．4．1 EAM势

1．4．2 CD-EAM

1．4．3 双带模型(2BM)

1．5 FeCr第一性原理计算研究

1．5．1 FeCr合金的体性能

1．5．2 FeCr合金的混合焓

1．5．3 反铁磁性Cr的影响

1．5．4 FeCr合金缺陷特征能

1．6 Fe-Cr合金系模拟研究

1．6．1 级联碰撞模拟

1．6．2 FeCr合金其它辐照模拟

1．7 本文研究内容

2 基本方法

2．1 分子动力学方法

2．1．1 分子动力学方法简介

2．1．2 分子动力学方法的基本原理

2．1．3 有限差分法

2．1．4 系综简述

2．2 NEB方法

2．2．1 经典的NEB方法

2．2．2 改进型NEB方法

2．3 本章小结

3 计算方法

3．1 势函数的选取

3．2 分子动力学模拟设置

3．3 五频率模型

3．4 本章小结

4 Fe-1％Cr合金体系下的MD模拟结果

4．1 纯Fe的自扩散系数

4．1．1 空位浓度Cv=0．001

4．1．2 空位浓度Cv=0．005

4．1．3 数据分析

4．2 Fe-Cr合金中溶质Cr原子的扩散系数

4．2．1 空位浓度Cv=0．001

4．2．2 空位浓度Cv=0．005

4．2．3 数据分析

4．3 本章小结

5 五频率模型计算结果

5．1 迁移能计算

5．2 Cr在bcc Fe中扩散系数的五频率模型计算结果

5．3 本章小结

6 高浓度Cr的Fe-Cr合金体系下的MD模拟结果

6．1 Fe-5％Cr合金体系

6．1．1 空位浓度Cv=0．001

6．1．2 空位浓度Cv=0．005

6．2 Fe-10％Cr合金体系

6．2．1 空位浓度Cv=0．001

6．2．2 空位浓度Cv=0．005

6．3 Fe-15％Cr合金体系

6．3．1 空位浓度Cv=0．001

6．3．2 空位浓度Cv=0．005

6．4 Fe-20％Cr合金体系

6．4．1 空位浓度Cv=0．001

6．4．2 空位浓度Cv=0．005

6．5 不同合金体系下扩散系数的对比

6．6 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

附录