α-Fe中氦泡极限压强的分子动力学模拟

为了深入认识α-Fe中氦泡冲出位错环的微观机制,有必要研究α-Fe中氦泡冲出位错环时的极限压强特性.本文建立金属-氦泡的立方体型代表性体积单元模型,针对8种不同初始半径的球形氦泡,以初始氦空位比为变量,开展分子动力学模拟,得到了各模型中位错环开始形成时的氦泡极限压强和临界氦空位比.研究结果表明:对于无量纲半径介于2—10的氦泡,冲出位错环时的氦泡极限压强和临界氦空位比均随着氦泡初始半径的增大而非线性减小;基体中氦泡冲出位错环时的临界氦空位比具有明显的尺寸效应;初始时刻(0 ps),在经过立方体型模型中心的横截面上,氦泡周围Fe原子阵列的剪应力集中和最大剪应力出现在对角线与氦泡边界交点(即45°)处,并且关于横截面上平行于边的两条对折线对称分布,剪应力集中区的范围和最大剪应力均随着初始氦空位比的增大而增大;位错环冲出方向对应最大剪应力方向.本文的研究加深了对金属中氦泡物理特性的认识,为后续分析氦泡对材料宏观物理和力学性质的影响奠定了有益的基础.     

bcc Fe的刃型位错中氦-空位团的稳定性

 采用周期性原子阵列方法建立bcc Fe中的刃型位错,利用分子动力学计算了0 K时bcc Fe的位错芯里氦-空位团的稳定性,并与理想Fe晶体里氦-空位团的稳定性进行比较发现,位错的作用导致氦-空位团不稳定。点缺陷（He、空位与自间隙Fe原子）与氦-空位团的结合能与团中氦-空位比例密切相关,当氦与空位数之比在3~6时,结合能趋于稳定。     

不同温度下bcc-Fe中螺位错滑移及其与1/2[111ˉ]位错环相互作用行为

采用分子动力学方法模拟研究了不同温度下bcc-Fe中螺位错滑移行为和螺位错与1/2[11ˉ1]位错环相互作用机制.结果表明,螺位错在低温2 K剪切应力下主要沿(ˉ211)面滑移;随温度逐渐升高到823 K,它容易发生交滑移,该交滑移在(ˉ110)和(ˉ211)面之间交替进行,因此随温度升高,临界剪切应力逐渐降低.当螺位错滑移靠近位错环时,不同温度下螺位错与位错环相互作用机制不同:低温2 K时,螺位错与位错环之间存在斥力作用,当螺位错滑移靠近位错环过程中,螺位错发生交滑移,切应力比无位错环时有所降低;中温300 K和600 K时,螺位错与位错环间斥力对螺位错的滑移影响减弱,螺位错会滑移通过位错环并与之形成螺旋结构,阻碍螺位错继续滑移,切应力有所升高;高温823 K时,螺位错因热激活更易发生交滑移,位错环也会滑移,两者在整个剪切过程中不接触,剪切应力最低.     

2.5MeV的He+离子辐照316L不锈钢中氦泡的形核与生长研究

利用透射电子显微镜分析了0.3—0.5T_m温区（T_m为材料溶点）316L奥氏体不锈钢经高剂量氦离子辐照后辐照损伤峰区氦泡的形成行为.实验结果支持氦泡的双原子形核模型，并证实氦泡的形成主要受制于自间隙子/氦置换机制扩散.材料中高密度位错的存在显著增强氦泡形核并抑制氦泡生长.与前人低剂量辐照实验结果的比较表明0.3—0.5T_m温区氦泡形核机制不随辐照剂量或剂量率发生显著变化． 关键词：     

冲击加载下铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征研究

通过分子动力学模拟研究了在相同冲击加载强度下单晶铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征,结果发现氦泡和孔洞的塌缩是由发射剪切型位错环引起的,而没有观测到棱锥型位错环发射. 氦泡和孔洞周围的位错优先成核位置基本一致,但是氦泡周围发射的位错环数目比孔洞多,位错环发射速度明显比孔洞快. 且氦泡和孔洞被冲击波先扫过部分比后扫过部分发射位错困难. 通过滑移面上的分解应力分析发现,氦泡和孔洞周围塑性特征的差别是由于氦泡内压引起最大分解应力分布改变造成的. 氦泡和孔洞被冲击波先后扫过部分塑性不对称是因为冲击波扫过时引起形状变化, 关键词： 分子动力学 冲击波 氦泡 孔洞     

氦对钛的体胀及稳定性影响的分子动力学模拟

采用分子动力学(molecular dynamics,MD)方法研究了不同压力下氦-空位复合物的大小、氦含量对材料肿胀、稳定性的影响. 分析了影响材料体积改变及稳定性因素：随着氦含量的增加,体系内聚能减小,系统体积膨胀,稳定性降低;当氦-空位复合物较小时,随着氦-空位复合物的增大,体系内聚能增加,系统体胀减小,体系趋于稳定. 当氦泡中氦原子达到一定数量时氦泡不再继续长大. 关键词： 体胀 氦-空位复合物 钛 分子动力学     

氦、氘对纯铁辐照缺陷的影响

在核聚变堆的辐照环境中, 核嬗变产物氢、氦对结构材料的抗辐照性能将产生很大的影响. 本实验采用离子注入和电子辐照模拟研究了氦和氘对具有体心立方结构的纯铁的影响. 采用离子加速器在室温分别对纯铁注入氦离子和氘离子, 经500℃时效1 h后在高压电镜下进行电子辐照.结果表明: 室温注氦和室温注氘的纯铁在500℃时效后分别形成间隙型位错环和空位型位错环. 在电子辐照下, 间隙型位错环吸收间隙原子而不断长大, 而空位型位错环吸收间隙原子不断缩小. 通过计算位错环的变化速率发现, 空位型位错环比间隙型位错环吸收了更多的间隙原子, 即室温注氘纯铁的位错偏压比室温注氦纯铁的偏压参量大, 这意味着相同实验条件下空位型位错环对辐照肿胀的贡献大于间隙型位错环对辐照肿胀的贡献. 利用氦-空位复合体和氘-空位复合体的结构, 分析了注氦和注氘后在纯铁中形成不同类型位错环的原因. 关键词： 氦 氘 辐照损伤 位错环     

温度对fcc铁中氦行为的影响研究

温度对fcc铁中的氦行为具有重要的影响,编写了居于fcc晶格的面向对象动力学蒙特卡罗程序（Object Kinetic Monte Carlo）,采用该程序结合分子动力学（MD）方法对fcc铁中的氦行为进行多尺度模拟,研究了温度对fcc铁中氦行为的影响,给出了不同温度退火过程中氦行为的原子细节。模拟结果表明引入一定量的非热平衡空位可以使模拟结果与文献实验结果有非常好的吻合;室温至1073K,温度对氦行为影响可以分为四个阶段：第一阶段,298-473K,正电子长寿命随退火温度增加略有减少,这主要由于非热平衡空位浓度降低;第二阶段,473-673K,正电子长寿命随退火温度增加而增加,主要由于晶粒内平均氦泡尺寸增加;第三阶段,673-873K,正电子长寿命随退火温度增加而迅速减少,主要是由于氦泡的平均尺寸减小和晶粒内的空位浓度降低;第四阶段,873-1073K,正电子长寿命随退火温度增加而迅速增加,与晶粒内氦泡的平均尺寸变大,且空位浓度随温度的增加而指数增加有关。     

压力对金属铌中氦原子凝聚的影响

 采用零温条件下的赝势-平面波方法和有限温度下的Car-Parrinello分子动力学方法,模拟了不同压力环境下氦原子在金属铌中的行为特征,研究了宿主缺陷和氦泡的形成机制。结果表明,闭电子壳层的氦原子在金属铌中具有刚球模型特征,其占据区域为金属自由电子的禁区,从而破坏铌原子之间的金属性键合。在常温条件下,局域高浓度的氦原子优先凝聚于近邻宿主空位缺陷处,从而形成氦泡;完整晶格中高浓度的氦将促使铌原子易位,形成间隙-空位模式的宿主缺陷,氦原子聚集于空位区域。完整宿主在压力（40 GPa）的作用下,晶格参数减小,铌原子之间的相互作用增强,尽管氦原子的存在削弱了铌原子之间的相互作用,位于格点上的铌原子仍难以借助热振动偏离格点形成空位,因而未能形成间隙-空位对和氦泡。     

氦泡对铝的弹性性质的影响

主要利用分子动力学方法模拟计算了含氦泡的铝的弹性性质,首先,应用第一性原理的方法计算了Al-He的相互作用势.其次,从两个不同的方面研究了氦泡对铝弹性常数的影响,一是不同的氦泡尺寸(直径分别是16, 20, 25, 30和3.5nm),二是不同的氦泡压力(即固定氦泡大小,氦泡内氦原子的个数与空位的比分别大约是5％,15％,45％ 和85％).结果表明弹性常数随着氦泡半径的增大而减小,对于固定大小的氦泡,随着氦泡内的压力变化弹性常数基本保持恒定.最后通过建立弹性复合体模型,得到的解析解定性上解释了氦泡的大小以及内压对铝的弹性常数的影响,与分子动力学模拟结果吻合. 关键词： 辐照损伤 氦泡 分子动力学 弹性常数     

高应变率拉伸下纯铝中氦泡长大的动力学研究

 分析了高应变率加载下纯铝中氦泡长大的动力学过程，给出了含内压氦泡长大的动力学方程，并且分别研究了氦泡内压、基体材料惯性、粘性、表面张力以及基体环境温度对初始半径为1 nm氦泡长大的影响。研究结果表明：（1）初始内压可以促使氦泡快速长大，当氦泡直径超过1 μm时，内压对氦泡长大的影响可以忽略不计。（2）表面张力在氦泡整个长大过程中的影响都很小。（3）材料惯性对氦泡长大起抑制作用，并且随着氦泡半径的增长，抑制效应越来越明显。（4）在所有因素中，温度对氦泡长大的影响最为明显，温度升高，材料的粘性降低，氦泡的内压增加，促使氦泡加速长大。     

充氚不锈钢中氦行为的实验研究

对充氚和未充氚的抗氢-2不锈钢(HR-2)样品进行退火处理,利用正电子湮没寿命谱技术以及金相检验技术探讨不锈钢中氦和微缺陷的相互作用行为.未充氚样品中,影响正电子寿命值的主要因素为杂质元素在晶界的析出.充氚样品实验中,退火温度小于300℃时,正电子寿命值的增加说明了氦泡的形成过程为非热形成,通过“冲出位错环”机制形成及长大;退火温度在300~600℃之间,充氚样品正电子寿命值的降低以及He的跃迁概率的计算结果,说明He原子通过热迁移至晶界;退火温度大于600℃时,热平衡空位浓度的计算结果以及正电子寿命值的增加说明热平衡空位开始发挥作用.     

氦团簇及氦间隙原子在钨中的稳定性研究

首先采用分子动力学方法研究了在钨中预存氦-空位团簇（He_nV₂₂）后氦原子结合能与氦-空位比的关系。研究发现:当氦-空位比小于4.5时,氦原子结合能随氦-空位比呈线性减小趋势;当氦-空位比大于4.5时,氦原子的结合能随氦-空位比出现剧烈振荡的现象,这种现象是由于钨中预存氦-空位团簇随机挤出位错环使体系能量骤降所导致的。与此同时,氦-空位团簇周围出现了一些处于亚稳态的fcc结构和hcp结构的钨。为了研究氦团簇周围压强对钨基体相变的影响,本文利用第一性原理对钨的三种结构进行了高压相变计算,发现静水压力不能使钨的三种结构互相转变。另外,通过对bcc钨和fcc钨中四面体间隙氦原子和八面体间隙氦原子电荷密度差的计算,发现bcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性高于八面体间隙氦原子的稳定性,而在fcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性弱于八面体间隙氦原子的稳定性。     

正电子在位错上湮没的唯象模型

本文提出一个适用于可以忽略逃逸作用,包括位错和割阶捕获的正电子多态捕获模型.着重讨论了以位错捕获为主的情况和位错心与单空位之间的开空间比,并估算出正电子在位错心上的湮没率以及位错线上的割阶间距.     

氦离子注入4H-SiC晶体的纳米硬度研究

4H-SiC晶体经能量为100 keV,剂量为3×10¹⁶ cm^-2的氦离子高温（500 K）注入后,再在773—1273 K温度范围内进行了退火处理,最后使用纳米压痕仪测量了样品注入面的硬度.测试结果表明,在500—1273 K温度范围内样品的硬度随退火温度升高呈现先增大后减小再增大的趋势,其中773 K退火样品的硬度增大明显.分析认为,退火样品的硬度变化是由退火过程中缺陷复合与氦泡生长导致样品内部的Si—C键密度、键长和键角改变引起的. 关键词： SiC 注入 氦泡 纳米压痕     

金属表面下氦泡融合与释放研究

采用分子动力学方法研究了钛金属表面下不同深度处氦泡的行为,分析了氦泡融合与释放的竞争,对比了不同深度处氦泡的释放对金属的影响.结果表明:在接近金属表面处,氦泡很难通过融合无限长大,当达到临界尺寸后,氦泡将会释放而不再与邻近的氦泡发生融合;植入深度对氦泡的融合有一定的影响,深度越大,越有利于形成具有较高氦密度的大氦泡;较深处氦泡的释放会在金属表面形成较大的突起和表面针孔.实验中观察到的不同尺寸的表面孔,其部分原因来自于金属表面下不同深度处氦泡的释放.     

金属表面下氦泡融合与释放研究

采用分子动力学方法研究了钛金属表面下不同深度处氦泡的行为,分析了氦泡融合与释放的竞争,对比了不同深度处氦泡的释放对金属的影响。结果表明：在接近金属表面处,氦泡很难通过融合无限长大,当达到临界尺寸后,氦泡将会释放而不再与邻近的氦泡发生融合;植入深度对氦泡的融合有一定的影响,深度越大,越有利于形成具有较高氦密度的大氦泡;较深处氦泡的释放会在金属表面形成较大的突起和表面针孔。实验中观察到的不同尺寸的表面孔,其部分原因来自于金属表面下不同深度处氦泡的释放。     

He离子辐照6H-SiC引入缺陷的光谱研究

实验采用300 keV的He²⁺辐照6H-SiC,辐照温度分别为室温,450,600和750 ℃,辐照剂量范围为1×10¹⁵–1×10¹⁷ cm^-2,辐照完成后对样品进行拉曼散射和紫外可见透射光谱测试与研究. 这两种分析方法的实验结果表明,He离子辐照产生的缺陷以及缺陷的恢复与辐照剂量和辐照温度有着直接关系. 室温下辐照会使晶体出现非晶化,体现在拉曼特征峰消失,相对拉曼强度达到饱和(同时出现了较强的Si-Si峰);高温下辐照伴随着晶体缺陷的恢复过程,当氦泡未存在时,高温辐照很容易导致Frenkel对、缺陷团簇等缺陷恢复,当氦泡存在时,氦泡会抑制缺陷恢复,体现在相对拉曼强度和相对吸收系数曲线斜率的变化趋势上. 本文重点讨论了高温辐照情况下氦泡对缺陷聚集与恢复的影响,并与高温下硅离子辐照碳化硅结果进行了对比. 关键词： 6H-SiC 氦泡 拉曼散射光谱 紫外可见透射光谱     

高密度氦相变的分子动力学研究

采用分子动力学方法结合对关联函数分析计算了0–1000 K范围内氦的固–液相变曲线, 与实验数据的对比显示, 在0–500 K之间与实验数据符合很好, 500 K以上还没有相应的实验数据. 另外, 计算了钛金属中不同尺寸氦泡的压强, 并与高密度氦的固–液相变曲线进行了对比. 结果显示, 在低温条件下, 随着温度的降低, 钛晶体中可能会出现固态氦泡; 在300 K以上不会存在固态氦泡.     

α-Fe中刃型位错与空洞相互作用的分子动力学模拟

本文通过分子动力学方法（MD）,采用嵌入原子势法（EAM）,沿[111]方向插入一层（0-11）半原子面形成位错,然后在模型中插入空洞,模拟了BCC 铁中刃型位错与空洞相互作用,研究了空洞对位错运动的影响机理。模拟结果表明,当温度设定为10K时,位错运动速度快,但空洞直径的大小对位错运动速度的影响不太明显,当高温设定为100K时,由于位错线密度增大并随着空洞直径的增加位错运动速度减小,临界剪切应力也随着减小。最后将模拟计算结果与Osetsky的研究数据及连续体理论模型进行了对比分析。