Fe-Cr合金中級(jí)聯(lián)碰撞分子動(dòng)力學(xué)研究答辯

1、1Fe-Cr合金中級(jí)聯(lián)碰撞的分子動(dòng)力學(xué)合金中級(jí)聯(lián)碰撞的分子動(dòng)力學(xué)研究研究2主要內(nèi)容相關(guān)研究背景課題的目的及意義模擬方法結(jié)果與分析論文的主要工作總結(jié)3一、相關(guān)研究背景隨著時(shí)代的發(fā)展人類對(duì)于能源的需求越來(lái)越大，然而化石燃料的儲(chǔ)量是有限的，傳統(tǒng)的化石燃料具有不可再生性，終究要走向枯竭。核能可以說(shuō)是最被看好的新能源，經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展，核能應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其安全性得到較好的保證。4一、相關(guān)研究背景在反應(yīng)堆中，優(yōu)質(zhì)的材料既能保證反應(yīng)堆的安全，又能充分延長(zhǎng)反應(yīng)堆的壽命。鐵基合金是在反應(yīng)堆中應(yīng)用十分廣泛的材料，而近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)含Cr的鐵素體鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）固有的幾何穩(wěn)定性，（2）較低的輻照腫脹，

2、（3）優(yōu)良的耐腐蝕性能而被認(rèn)為是未來(lái)聚變示范堆、ADS 、四代堆重要侯選結(jié)構(gòu)材料。5 一、相關(guān)研究背景Fe-Cr合金作為反應(yīng)堆材料的研究現(xiàn)狀（1）國(guó)外研究現(xiàn)狀 近年來(lái)大量的精力被投入到Fe-Cr合金的原子水平的研究中，尤其在歐洲和美國(guó)。 Arakawaet等人研究發(fā)現(xiàn)9%鐵鉻的熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于純鐵；H. Kayano等人發(fā)現(xiàn)含9%Cr的鐵素體/馬氏體鋼的韌脆轉(zhuǎn)化會(huì)達(dá)到最低。6 一、相關(guān)研究背景Fe-Cr合金作為反應(yīng)堆材料的研究現(xiàn)狀（1）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)關(guān)于 Fe-Cr合金的研究相對(duì)較晚。 中國(guó)原子能研究院的賀新福、楊文、樊勝老師做過(guò)反鐵磁性Cr 的影響、FM Fe-Cr 合金缺陷特征能等方面的

3、研究。7 二、課題的目的及意義 本課題來(lái)源于實(shí)際課題，其目的是通過(guò)模擬了解輻照后缺陷的類型、數(shù)量與分布，從而分析Cr含量、PKA能量、溫度對(duì)材料抗輻照性能的影響。 意義：1、對(duì)Fe-Cr合金的模擬對(duì)于反應(yīng)堆材料的選取具有 一定的參考價(jià)值。2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為后來(lái)的實(shí)驗(yàn)者及理論計(jì)算人員提供參考，具有一定的實(shí)際意義。8三、論文的主要工作 為研究溫度、PKA能量和Cr含量對(duì)Fe-Cr合金輻照損傷的影響，本論文主要進(jìn)行了以下工作：編寫(xiě)in文件，模擬輻照過(guò)程基于模擬結(jié)果，分析缺陷種類、數(shù)量分析缺陷演化與溫度、PKA能量和Cr含量的關(guān)系總結(jié)9四、模擬方法1、分子動(dòng)力學(xué)介紹分子動(dòng)力學(xué) ，是一種計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)方

4、法，是研究凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。材料在中子輻照下發(fā)生級(jí)聯(lián)碰撞，該過(guò)程歷時(shí)短、范圍小，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段來(lái)觀察分析缺陷的演化是不可能的，而計(jì)算機(jī)模擬則為研究該問(wèn)題提供了一種十分方便的手段。10四、模擬方法2、模擬方法建立模型選擇勢(shì)函數(shù)設(shè)定條件本文通過(guò)in文件借助LAMMPS軟件進(jìn)行模擬，編寫(xiě)in文件的過(guò)程如下：11四、模擬方法缺陷的判別方向主要有兩種，一種是Voronoi單元法，另一種是球形法。兩種方法各有利弊，由于Voronoi單元法的準(zhǔn)確省時(shí)，本文采用了該方法。3、缺陷判別方法12五、結(jié)果與分析在材料的研究中，缺陷形成能是一個(gè)非常重要的參數(shù)，其數(shù)值的大小反映了缺陷形成的難易程度，反映出材料的穩(wěn)定性

5、。本文利用了下面的公式近似計(jì)算出缺陷形成能：1、缺陷形成能 Cr含量（%）01510Fe的空位形成能（eV）1.70981.5713 1.7315 1.9063Cr的空位形成能(eV) 1.5822 1.4901 1.4189 nn)*E()E(E1supercelldefect13在完美晶格中，原子由于原子間的相互作用力的平衡而保持穩(wěn)定，當(dāng)部分原子受到輻照后能量增加，當(dāng)能量大于某個(gè)值時(shí)，原子就有可能擺脫束縛，離開(kāi)初始的點(diǎn)陣位置產(chǎn)生空位缺陷。五、結(jié)果與分析2、離位閾能14本文利用下面的公式計(jì)算平均離位閾能：五、結(jié)果與分析dirdirniiiniiaveTDETDE11)1(TDEave0% C

6、rFe31Cr1% CrFe35Cr275% CrFe23Cr3210% CrFe25Cr3020 26153、PKA能量的影響隨著PKA能量的增大，缺陷的數(shù)量雖然在增加，而缺陷數(shù)量達(dá)到峰值所需時(shí)間略微變長(zhǎng)。本文一共測(cè)試了三組PKA能量：1keV、2keV、5keV。五、結(jié)果與分析0.00.51.01.52.02.5-50050100150200250300350400空位缺陷數(shù)量時(shí)間（ps） 1kev 2kev 5kev(c)16隨著PKA能量的增大，缺陷的數(shù)量雖然在增加（表3.3），而缺陷數(shù)量達(dá)到峰值所需時(shí)間略微變長(zhǎng)五、結(jié)果與分析不同不同PKA能量和能量和Cr含量下，缺陷數(shù)量達(dá)到峰值含量下

7、，缺陷數(shù)量達(dá)到峰值所需時(shí)間（所需時(shí)間（ps）PKA能量 Cr含量0% Cr1% Cr5% Cr10% Cr1keV0.250.240.230.252keV0.270.340.240.315keV0.440.440.330.3717五、結(jié)果與分析 而對(duì)于反位的情況，PKA能量對(duì)其演化過(guò)程的影響與空位有相似之處：PKA能量越大，產(chǎn)生的反位數(shù)量越多，反位數(shù)量的增速達(dá)到峰值所需的時(shí)間越長(zhǎng)。 0.00.51.01.52.02.5-100102030405060708090100110120130140150反位缺陷數(shù)量時(shí)間（ps） 1kev 2kev 5kev(b)但是最終反位缺陷不會(huì)像空位缺陷一樣有減

8、少的趨勢(shì)。184、Cr含量的影響（1）缺陷數(shù)量的演變?cè)谙嗤瑮l件下，Cr 含量的改變對(duì)空位數(shù)的并沒(méi)有太大的影響。五、結(jié)果與分析0.00.51.01.52.02.5-20020406080100120140160空位缺陷數(shù)量時(shí)間（ps） 0% 1% 5% 10%（b）19五、結(jié)果與分析單獨(dú)分析Fe的空位缺陷數(shù)量隨時(shí)間的變化發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e的空位數(shù)與總的空位數(shù)并沒(méi)有明顯差。0.00.51.01.52.02.5-20020406080100120140160空位缺陷的數(shù)量時(shí)間（ps） total Fe Cr（b）20一方面材料中Fe的含量比較高。另一方面Fe的離位閾能相較于Cr要小很多，所以相對(duì)于Cr原子，

9、Fe原子更有可能發(fā)生離位。五、結(jié)果與分析PKA能量 Cr含量1% Cr5% Cr10% Cr1keV0002keV001.75keV004.121（2）Cr對(duì)團(tuán)簇份額的影響團(tuán)簇是幾個(gè)或者更多原子由于物理或者化學(xué)結(jié)合力組成的具有一定穩(wěn)定性的聚集體。堆內(nèi)材料性質(zhì)的很多變化是在原子水平上研究的，而團(tuán)簇已經(jīng)涉及到了原子分子物理、凝聚態(tài)物理、量子物理等方面，輻照中產(chǎn)生的團(tuán)簇會(huì)影響材料顯微結(jié)構(gòu)的變化，所以說(shuō)團(tuán)簇對(duì)于堆內(nèi)材料的性能有重要影響。五、結(jié)果與分析22五、結(jié)果與分析-1012345678910 110.00.10.20.30.40.50.60.70.8 比例Cr含量（%） inter-cr vac-

10、cr inter-fe vac-fe從右圖可見(jiàn)：1、Fe的間隙團(tuán)簇和空位團(tuán)簇的份額都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Cr的2、隨著Cr含量的升高材料中團(tuán)簇的總數(shù)有較明顯下降3、空位團(tuán)簇的數(shù)量都大于間隙團(tuán)簇的數(shù)量。23五、結(jié)果與分析 反應(yīng)堆中Fe-Cr合金的工作溫度并不穩(wěn)定，研究不同溫度下Fe-Cr合金的性能具有重要意義。從右圖可見(jiàn)：0.00.51.01.52.0-20020406080100120140160180200220240空位缺陷數(shù)量時(shí)間（ps） 0K 200K 300K 600K 1200K 1、不同溫度下空位缺陷演化的趨勢(shì)基本是一樣的，只是同一時(shí)刻缺陷數(shù)量隨著溫度的上升，累積加劇。 2、缺陷數(shù)量達(dá)到峰值

11、所需的時(shí)間隨著溫度的升高有了明顯的增加。5、溫度的影響24五、結(jié)果與分析反位缺陷的數(shù)量隨溫度的升高也有所增加，由圖可見(jiàn)各曲線區(qū)分比較明顯，但是增長(zhǎng)幅度要小于空位缺陷。0.00.51.01.52.02.5-5051015202530354045505560657075808590反位缺陷數(shù)量時(shí)間（ps） 0K 200K 300K 600K 1200K25六、總結(jié) 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)LAMMPS軟件的計(jì)算和后期的分析處理我們可軟件的計(jì)算和后期的分析處理我們可以得到以下幾條結(jié)論：以得到以下幾條結(jié)論：（1 1）演化過(guò)程中空位的數(shù)量隨時(shí)間的變化都表現(xiàn)為較）演化過(guò)程中空位的數(shù)量隨時(shí)間的變化都表現(xiàn)為較大幅度的增加和下

12、降，缺陷峰值與穩(wěn)定階段的缺陷數(shù)相大幅度的增加和下降，缺陷峰值與穩(wěn)定階段的缺陷數(shù)相差較大差較大; ;反位沒(méi)有復(fù)合過(guò)程反位沒(méi)有復(fù)合過(guò)程（2 2）PKA能量和溫度對(duì)于材料缺陷的影響有相似之處，能量和溫度對(duì)于材料缺陷的影響有相似之處，隨著隨著PKA能量和溫度的升高缺陷數(shù)量都有明顯增加能量和溫度的升高缺陷數(shù)量都有明顯增加（3 3）Cr含量基本沒(méi)有影響材料的空位缺陷，對(duì)于反位含量基本沒(méi)有影響材料的空位缺陷，對(duì)于反位缺陷的影響較大，缺陷的影響較大，Cr含量對(duì)團(tuán)簇有一定的影響含量對(duì)團(tuán)簇有一定的影響（4 4）級(jí)聯(lián)碰撞形成了穩(wěn)定的缺陷，包括穩(wěn)定的間隙團(tuán)）級(jí)聯(lián)碰撞形成了穩(wěn)定的缺陷，包括穩(wěn)定的間隙團(tuán)簇和空位團(tuán)簇簇和空位團(tuán)簇26六、總結(jié) 本論文主要還存在以下不足：本論文主要還存在以下不足：（1 1）在）在PKAPKA能量為能量為5k