金属铜中辐照损伤的分子动力学模拟

摘要

材料在强辐射条件下的辐照损伤行为是安全应用核技术的关键因素之一，辐照诱发的点缺陷经过长时间的演化和积累，会对材料的宏观性能造成严重的影响，最终导致材料失效。研究材料的辐照损伤过程及辐照后的力学性能变化对设计制造抗辐照材料具有重要的指导意义。本文通过分子动力学模拟研究了金属铜在辐照损伤初级阶段的级联碰撞过程，以及辐照后在动静态加载下的力学响应。
　　首先根据级联碰撞过程的特殊性，对现有的EAM势函数进行了改进，加入了适合级联碰撞模拟的ZBL势函数。然后采用改进后的势函数研究了弹性预应变场中的级联碰撞过程。在单轴拉伸作用下，辐照不仅能导致点缺陷的产生，还能诱发位错、层错、孪晶、空洞等塑形变形发生。孪晶的形成是由于相互错开的层错的重叠;而空洞的产生则是源于液体在拉伸作用下的空化现象。在确定的预应变条件下，塑形变形的产生依赖于初级离位原子的能量。
　　本文研究了∑3<110>倾斜晶界与级联碰撞的相互作用。晶界具有明显的偏向吸收间隙原子的特性，而使材料内部残余大量的空位。晶界对间隙原子的吸收效率随着初级离位原子到晶界面距离和晶界倾斜角的变化而变化。当级联区与晶界面重叠时，辐照会导致晶界迁移的出现，源于热峰区域的再结晶和同时发生的非对称晶粒生长。
　　完美单晶铜在辐照后，屈服应力（屈服应变）下降，是由于间隙原子造成了结构畸变和应力集中，降低了位错成核的临界应力。材料的杨氏模量随着缺陷对浓度的增加而降低，二者呈线性关系。屈服应力（屈服应变）具有类似趋势，但并不呈线性关系。
　　本文还研究了嬗变氦泡对材料冲击响应的影响。冲击加载下，氦泡内压能起到阻止气泡塌陷的作用，但近表面的氦泡可能发生破裂，喷射出高速运动的氦原子和铜原子。当氦原子聚集到一定程度，没有加载的情况下，氦泡也能发生破裂，在材料表面留下凹坑。冲击加载下，这些缺陷能形成射流。射流的速度、形态等参数受缺陷的结构（几何结构、晶体结构）所影响。
　　本文的研究结果可对近年来报道的辐照下的空洞生长、晶界迁移等实验现象做出相应的解释，并对未来核材料的开发提供基础数据和理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 本文主要工作

第2章 辐照损伤与分子动力学方法简介

2．1 辐照损伤

2．1．1 辐照效应

2．1．2 级联碰撞

2．1．3 辐照缺陷

2．2 分子动力学方法

2．2．1 基本概念和原理

2．2．2 辐照损伤模拟势函数的构建

2．2．3 辐照点缺陷的识别

第3章 预应变场对级联碰撞的影响

3．1 引言

3．2 模型建立与分析方法

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 预应变大小的影响

3．3．2 PKA能量的影响

3．3．3 预应变效应的各向异性

3．4 本章小结

第4章 晶界附近的辐照效应

4．1 引言

4．2 模型建立与分析方法

4．3 结果分析与讨论

4．3．1 晶粒内部存活的点缺陷数目

4．3．2 辐照引起的晶界迁移现象

4．4 本章小结

第5章 辐照后材料的静态力学性能

5．1 引言

5．2 模型建立与分析方法

5．3 结果分析与讨论

5．4 本章小结

第6章 嬗变氦对材料动态性能的影响

6．1 氦泡的冲击响应

6．1．1 引言

6．1．2 模型建立与分析方法

6．1．3 结果分析与讨论

6．1．4 小结

6．2 表面缺陷的冲击射流现象

6．2．1 引言

6．2．2 模型建立与分析方法

6．2．3 结果讨论与分析

6．2．4 小结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 本文主要创新点

7．3 未来工作展望

参考文献

致谢

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