一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统

摘要

本发明公开了一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统，所述方法包括：获取待测材料参数和环境参数；待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力；建立参数计算方程；参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程；将待测材料参数和环境参数输入到参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；根据浓度场变量和序参量变量得到气泡演化图像。本发明的方法及系统综合考虑温度、辐照和热应力作用下的辐照诱发气泡微结构演化，提高了气泡演化模型的通用性。

说明书

技术领域

本发明涉及辐照微结构演化技术领域，特别是涉及一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统。

背景技术

现有的国内外辐照气泡演化相场模型主要考虑了温度和辐照损伤率的影响，重点体现在辐照点缺陷产生率和含温效应的热力学参数，该类模型在一定程度上考虑的环境场因素有限，且给出的微结构损伤较为单一。而对于复杂辐照环境下材料微结构演化，目前广泛使用的方法仍然是基于金兹堡-朗道相变理论的相场模型，其中采用有限差分法或快速傅里叶变换求解变分方程。由于总自由能只考虑了温度和辐照因素，导致模型研究多物理场耦合下微结构演化受限。尤其是高温引起的热应力对点缺陷热力学行为有着显著的影响，导致材料微观组织形貌改变。至此，现有的模型难以全面考虑辐照环境因素影响下的气泡演化，通用性低。

发明内容

本发明的目的是提供一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统，通过综合考虑温度、辐照和热应力作用下的辐照诱发气泡微结构演化，以提高气泡演化模型的通用性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法，所述方法包括：

获取待测材料参数和环境参数；所述待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，所述环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力；

建立参数计算方程；所述参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程；

将所述待测材料参数和所述环境参数输入到所述参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；所述浓度场变量包括空位浓度随时间的变化量、自间隙原子浓度随时间的变化量和气体原子随时间的变化量，序参量变量包括序参量随时间的变化量；

根据所述浓度场变量和所述序参量变量得到气泡演化图像。

可选的，建立所述体系总自由能方程，具体为：

基于金兹堡-朗道相变理论建立含有空位、自间隙原子、气体原子和序参量的所述体系总自由能方程。

可选的，建立所述动力学演化方程，具体为：

基于卡恩-希利亚德方程和艾伦-卡恩方程建立所述动力学演化方程；所述动力学演化方程包括：空位的动力学演化方程、自间隙原子的动力学演化方程、气体原子的动力学演化方程和序参量的动力学演化方程。

可选的，所述体系总自由能方程为：

F＝N∫((1-h(η))f

其中，F是系统总自由能，f

其中，c

其中，μ是气泡初始势能，p

其中，C

可选的，所述空位的动力学演化方程为：

所述自间隙原子的动力学演化方程为：

所述气体原子的动力学演化方程为：

所述序参量的动力学演化方程为：

其中，t是时间，

一种预测辐照气泡演化的相场模拟系统，包括：

参数获取模块，用于获取待测材料参数和环境参数；所述待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，所述环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力；

方程建立模块，用于建立参数计算方程；所述参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程；

变量计算模块，用于将所述待测材料参数和所述环境参数输入到所述参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；所述浓度场变量包括空位浓度随时间的变化量、自间隙原子浓度随时间的变化量和气体原子随时间的变化量，序参量变量包括序参量随时间的变化量；

气泡演化图像获取模块，用于根据所述浓度场变量和所述序参量变量得到气泡演化图像。

可选的，所述方程建立模块包括：

自由能方程建立单元，用于基于金兹堡-朗道相变理论建立含有空位、自间隙原子、气体原子和序参量的所述体系总自由能方程。

可选的，所述方程建立模块包括：演化方程建立单元，用于基于卡恩-希利亚德方程和艾伦-卡恩方程建立所述动力学演化方程；所述动力学演化方程包括：空位的动力学演化方程、自间隙原子的动力学演化方程、气体原子的动力学演化方程和序参量的动力学演化方程。

可选的，所述体系总自由能方程为：

F＝N∫((1-h(η))f

其中，F是系统总自由能，f

其中，c

其中，μ是气泡初始势能，p

其中，C

可选的，所述空位的动力学演化方程为：

所述自间隙原子的动力学演化方程为：

所述气体原子的动力学演化方程为：

所述序参量的动力学演化方程为：

其中，t是时间，

本发明公开了一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法及系统，方法包括：获取待测材料参数和环境参数；待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力；建立参数计算方程；参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程；将待测材料参数和环境参数输入到参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；浓度场变量包括空位浓度随时间的变化量、自间隙原子浓度随时间的变化量和气体原子随时间的变化量，序参量变量包括序参量随时间的变化量；根据浓度场变量和序参量变量得到气泡演化图像。本发明的方法及系统综合考虑温度、辐照和热应力作用下的辐照诱发气泡微结构演化，提高了气泡演化模型的通用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的预测辐照气泡演化的相场模拟方法流程图；

图2-图7为单个气泡在不同时刻下沿y轴500MPa的热应力下的演化过程图；

图8为不同时刻下气泡沿y轴中线处σ

图9为本发明实施例提供的预测辐照气泡演化的相场模拟系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法，旨在提高气泡演化模型的通用性，可应用于辐照微结构演化技术领域。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的预测辐照气泡演化的相场模拟方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种预测辐照气泡演化的相场模拟方法，方法包括：

步骤101：获取待测材料参数和环境参数。待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力。

步骤102：建立参数计算方程。参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程。

步骤103：将待测材料参数和环境参数输入到参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量。浓度场变量包括空位浓度随时间的变化量、自间隙原子浓度随时间的变化量和气体原子随时间的变化量，序参量变量包括序参量随时间的变化量。

步骤104：根据浓度场变量和序参量变量得到气泡演化图像。

具体的，运用Tecplot软件得到可视场变量结果(即气泡演化图像)，使用Image软件对结果进行分析。

作为一种可选的实施方式，步骤102中，建立体系总自由能方程，具体为：

基于金兹堡-朗道相变理论建立含有空位、自间隙原子、气体原子和序参量的体系总自由能方程。

作为一种可选的实施方式，步骤102中，建立动力学演化方程，具体为：

基于卡恩-希利亚德方程和艾伦-卡恩方程建立动力学演化方程；动力学演化方程包括：空位的动力学演化方程、自间隙原子的动力学演化方程、气体原子的动力学演化方程和序参量的动力学演化方程。

作为一种可选的实施方式，体系总自由能方程为：

F＝N∫((1-h(η))f

其中，F是系统总自由能，f

具体的，关于序参量η的差值函数为：h(η)＝η

其中，c

其中，μ是气泡初始势能，p

其中，C

作为一种可选的实施方式，空位的动力学演化方程为：

自间隙原子的动力学演化方程为：

气体原子的动力学演化方程为：

序参量的动力学演化方程为：

其中，t是时间，

具体的，空位v和自间隙原子i的结合率为：

其中，R

空位v的被位错吸收的速率为：

其中，D

自间隙原子i的被位错吸收的速率为：

其中，D

图2-图7为单个气泡在不同时刻下沿y轴500MPa的热应力下的演化过程图，t

图8为不同时刻下气泡沿y轴中线处σ

本发明还提供了一种预测辐照气泡演化的相场模拟系统，图9为本发明实施例提供的预测辐照气泡演化的相场模拟系统结构图。如图9所示，本实施例中一种预测辐照气泡演化的相场模拟系统，包括：

参数获取模块201，用于获取待测材料参数和环境参数；待测材料参数包括：点缺陷的迁移率、点缺陷的形成能、点缺陷的扩散系数、气泡的初始参数和位错捕获点缺陷的半径，环境参数包括：温度、辐照损伤率和热应力.

方程建立模块202，用于建立参数计算方程；参数计算方程包括：体系总自由能方程和动力学演化方程。

变量计算模块203，用于将待测材料参数和环境参数输入到参数计算方程中得到浓度场变量和序参量变量；浓度场变量包括空位浓度随时间的变化量、自间隙原子浓度随时间的变化量和气体原子随时间的变化量，序参量变量包括序参量随时间的变化量。

气泡演化图像获取模块204，用于根据浓度场变量和序参量变量得到气泡演化图像。

具体的，运用Tecplot软件得到可视场变量结果(即气泡演化图像)，使用Image软件对结果进行分析。

作为一种可选的实施方式，方程建立模块202包括：

自由能方程建立单元，用于基于金兹堡-朗道相变理论建立含有空位、自间隙原子、气体原子和序参量的体系总自由能方程。

作为一种可选的实施方式，方程建立模块202包括：

演化方程建立单元，用于基于卡恩-希利亚德方程和艾伦-卡恩方程建立动力学演化方程；动力学演化方程包括：空位的动力学演化方程、自间隙原子的动力学演化方程、气体原子的动力学演化方程和序参量的动力学演化方程。

作为一种可选的实施方式，体系总自由能方程为：

F＝N∫((1-h(η))f

其中，F是系统总自由能，f

具体的，关于序参量η的差值函数为：h(η)＝η

其中，c

其中，μ是气泡初始势能，p

其中，C

作为一种可选的实施方式，空位的动力学演化方程为：

自间隙原子的动力学演化方程为：

气体原子的动力学演化方程为：

序参量的动力学演化方程为：

其中，t是时间，

具体的，空位v和自间隙原子i的结合率为：

其中，R

空位v的被位错吸收的速率为：

其中，D

自间隙原子i的被位错吸收的速率为：

其中，D

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。