晶界对Fe-Ni-Cr合金辐照缺陷和力学性能影响的分子动力学模拟

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Fe-Ni-Cr合金因其优异的力学性能、高温稳定性、耐腐蚀性能和抗辐照性能,广泛应用于核反应堆堆芯结构材料,如包壳、压力容器等。Fe-Ni-Cr合金服役过程中,受到高能粒子轰击使原子脱离其晶格点阵形成大量空位、间隙原子、气体等辐照缺陷。辐照点缺陷的复合、吸收和簇聚等过程形成的辐照微观组织将会影响反应堆运行的可靠性和安全性。晶界吸收辐照点缺陷有助于稳定辐照组织和材料性能,但不同晶界因结构差异对辐照点缺陷的吸收呈现不同特征,对于晶界与辐照点缺陷的交互作用的理解有助于Fe-Ni-Cr合金设计。本文采用分子动力学方法研究不同对称倾斜晶界辐照损伤的规律及辐照力学性能变化,论文取得的主要结果如下。点缺陷浓度与分布和辐照强度有关,以单晶和Σ9(114)双晶为例,二者浓度均随辐照强度增加而增加。单晶中辐照空位和间隙只发生复合,残余缺陷弥散分布;Σ9(114)双晶的晶界表现出现显著的间隙原子偏吸收现象,导致晶界附近形成空位团簇或层错四面体。垂直于晶界方向的单轴拉伸结果表明,单晶材料呈现辐照软化现象,辐照强度越高,辐照软化现象越明显,这与辐照缺陷加速完美单晶体位错增殖利于滑移有关;相比单晶,Σ9(114)双晶的晶界使极限拉伸强度降低,辐照强度增加使晶内残余空位浓度上升,高辐照强度下晶内空位团簇聚集严重甚至生成层错四面体,使强度进一步降低。辐照后,单晶和Σ9(114)双晶的杨氏模量都有所减小,辐照强度越高杨氏模量越小。以 15keV 辐照强度为例,研究Σ3(111)、Σ3(112)、Σ9(114)、Σ11(113)、Σ17(223)和Σ19(116)六种对称倾斜晶界结构差异导致的辐照缺陷、辐照组织演化及力学性能变化。其中,Σ3(111)、Σ11(113)、Σ9(114)、Σ17(223)、Σ19(116)和 Σ3(112)的晶界宽度依次增加;旋转角 Σ3(111)>Σ17(223)>Σ3(112)>Σ11(113)>Σ9(114)>Σ19(116)。缺陷吸收能力与晶界宽度正相关,晶界越厚,吸收能力越强。除了 Σ3(111)和Σ11(113)窄晶界外,其余晶界辐照后都观察到对间隙原子的偏向吸收而导致晶粒内部留下大量空位。Σ3(111)和Σ11(113)晶界窄,吸收能力有限,晶内空位和间隙以复合为主,残余缺陷少。拉伸组织演化表明,晶界对位错传播起阻碍作用,无辐照时,位错总被限制在某个晶粒中;辐照后缺陷打破了晶界的限制作用。应力-应变分析表得出,同等辐照条件下,对称倾斜晶界的旋转角度对最大拉伸应变、断裂韧性和杨氏模量影响最大,其中中等旋转角晶界通常具有平衡的最大拉伸应变、断裂韧性和杨氏模量特性。而极限拉伸强度可用重合位置点阵∑值来衡量,较高的Σ值具有良好的极限拉伸应力稳定性。研究了单类型辐照点缺陷的浓度与微观组织及力学性能的关系。点缺陷浓度越高,拉伸性能越差;间隙和空位浓度等同的条件下,间隙型比空位型的拉伸力学性能差,如0.4%含量的空位模型极限拉伸强度为11.45GPa,而间隙型为5.59GPa,间隙型极限拉伸强度比空位型约降低了 104.8%。拉伸过程微观结构演化,间隙型组织以1/2<110>Perfect位错的滑移分解为主要变形机制,而空位型组织以1/6<112>Shockley位错滑移为主。相比1/6<112>Shockley位错而言,1/2<110>Perfect位错能量高结构不稳定,容易发生分解生成大量分位错,使晶内位错密度增加,促进进一步的滑移和孪生,导致材料极限拉伸强度降低。
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