金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷,及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型,深化了学界对辐照效应的认识,有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。     

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一，在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤，进而显著影响材料的力学性能，造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命，还是设计新型的抗辐照材料，都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息，然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应，但是往往需要基于已知的物理模型，并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁，是揭示大量微结构的累积相互作用机理，建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代，起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法，并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。     

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型的抗辐照材料,都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息,然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应,但是往往需要基于已知的物理模型,并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁,是揭示大量微结构的累积相互作用机理,建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代,起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法,并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。     

钨塑性变形与断裂行为及其辐照效应的研究综述

金属钨具有独特的力学特性和物理化学特性，是核能、航空航天、微机电系统等领域广泛应用的结构材料.钨在服役条件下的变形和断裂行为是影响其服役状态的关键因素之一.但是，钨的塑性变形和断裂表现出异于其它金属材料的力学行为，比如，屈服强度表现出非施密特效应和拉压不对称性，断裂韧性低且具有各向异性、尺寸效应和温度效应，等等.这些特性与钨的位错特性、晶界特性、晶粒尺寸、晶粒取向等微结构紧密相关.辐照条件下高能粒子与钨原子的相互作用会引起其微观组织结构的变化，形成的位错、位错环等辐照缺陷导致钨的辐照硬化和辐照脆化，揭示钨微结构与力学行为之间的物理关系、研究辐照对钨力学行为的影响机制成为近年来关注的热点.论文围绕钨的塑性变形和断裂行为及其辐照效应，从实验、理论、模拟三个方面综述研究者们在原子尺度、位错尺度、单晶尺度、多晶宏观尺度取得的研究成果；最后，对钨力学行为研究方面的重要问题做出展望.     

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义.材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响.金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等.该文主要综述在低温(T<0.3 T_m,T_m是材料的熔点温度)和低辐照剂量下,由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为,即受辐照缺陷的影响,材料的强度会升高.材料的晶粒     

单晶铜中的类层错四面体稳定性

层错四面体作为受核辐照作用金属材料中一类常见的三维缺陷，会极大的改变材料塑性变形行为。本文借助分子静力学和分子动力学方法，针对不同构型、不同尺寸的类层错四面体，考察了不同形状空位团簇演化为类层错四面体的位错反应机理和形成能变化趋势，研究了类层错四面体附近空位形成能分布特征和最小空位形成能随类层错四面体尺寸增大的变化规律，分析了含不同构型、不同尺寸的类层错四面体铜单晶体的微观变形机理和单晶体屈服应力随类层错四面体尺寸增大的变化规律。研究发现：类层错四面体通过Silcox-Hirsch机制形成，且经历了空位团簇坍塌、Frank位错环分解和Shockley位错交汇形成层错四面体棱边三个过程；类层错四面体附近最小空位形成能随着类层错四面体尺寸变化而变化，且变化趋势与类层错四面体构型在稳态、亚稳态和非稳态之间过渡相关，稳态无尖端类层错四面体的最小空位形成能变化趋势表现出明显的尺寸效应；剪切会导致含类层错四面体铜单晶体产生两类层错四面体位错开动模式，即：斜面Shockley偏位错滑移和层错四面体底面压杆位错分解，且含类层错四面体的单晶体屈服应力基本上随着类层错四面体尺寸增大而逐渐减小。     

飞秒激光辐照铝材料的分子动力学数值模拟

采用大尺度分子动力学方法对飞秒激光辐照金属铝材料的效应进行了数值模拟。利用分子动力学方法给出了飞秒激光辐照后,材料表面发生熔化和喷溅,冷凝后形成一层很薄的多孔介质的物理图像,及产生的应力波传播过程等。数值模拟结果表明分子动力学方法可以用于飞秒激光对材料辐照效应的研究。     

单晶铜中的类层错四面体稳定性

层错四面体作为受核辐照作用金属材料中一类常见的三维缺陷,会极大的改变材料塑性变形行为。本文借助分子静力学和分子动力学方法,针对不同构型、不同尺寸的类层错四面体,考察了不同形状空位团簇演化为类层错四面体的位错反应机理和形成能变化趋势,研究了类层错四面体附近空位形成能分布特征和最小空位形成能随类层错四面体尺寸增大的变化规律,分析了含不同构型、不同尺寸的类层错四面体铜单晶体的微观变形机理和单晶体屈服应力随类层错四面体尺寸增大的变化规律。研究发现：类层错四面体通过Silcox-Hirsch机制形成,且经历了空位团簇坍塌、Frank位错环分解和Shockley位错交汇形成层错四面体棱边三个过程;类层错四面体附近最小空位形成能随着类层错四面体尺寸变化而变化,且变化趋势与类层错四面体构型在稳态、亚稳态和非稳态之间过渡相关,稳态无尖端类层错四面体的最小空位形成能变化趋势表现出明显的尺寸效应;剪切会导致含类层错四面体铜单晶体产生两类层错四面体位错开动模式,即：斜面Shockley偏位错滑移和层错四面体底面压杆位错分解,且含类层错四面体的单晶体屈服应力基本上随着类层错四面体尺寸增大而逐渐减小。     

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料，以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构。深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义。基于以上考虑，本文采用分子动力学（MD）模拟，研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况，探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况。通过对MD模拟结果的深入分析，得到了以下主要结论：a.辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构，引起渗碳体的分解，并促进碳原子向铁素体的扩散；b.在单轴拉伸荷载作用下，级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为间隙原子团簇附近位错环的形核与长大；c.在单轴压缩荷载作用下，级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动；d)无论在单轴拉伸还是压缩情况下，级联碰撞（及辐照效应）都会导致位错初始形核应力的提升。本文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观解释，对于辐照条件下铁素体合金钢材料的优化设计有一定的参考意义。     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应，从而在材料内部形成氦泡，进而影响金属材料的宏观力学行为。因此，开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题，故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结，主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上，展望了该领域中存在的主要科学问题。     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为。因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.      

Evaluation of Irradiation Effects on Fracture Strength of Silicon Carbide using Micropillar Compression Tests

Micro-scale material testing techniques (e.g., nanoindentation, micropillar compression, etc.) have been developed and applied for the evaluation of radiation effects on the mechanical properties of nuclear reactor materials. These techniques can measure the mechanical properties from small volumes, which can be beneficial in the investigation of both neutron and ion-irradiated materials. In this study, we evaluated the compressive fracture strength of ion-irradiated silicon carbide (SiC) using micropillar compression tests. SiC and SiC-based composites are considered as candidate materials for micro electronics, sensors, and various components in next-generation reactors. Micropillars with a nominal diameter of 0.65 μm were fabricated on a monolithic polycrystalline cubic SiC plate using a lithography and plasma etching technique. Half of the total micropillars were irradiated with Si²⁺ ions. The SiC micropillars were uniaxially compressed using a flat diamond punch. A finite element model was used to compute the elastic stress state of the pillar. The results showed irradiation-induced strengthening, which is consistent with other investigations. In addition, plastic deformation of SiC at room temperature was observed. A slip was found to occur on {111} planes from a cross-sectional transmission electron microscopy observation. The micropillar tests are expected to significantly contribute to the study of irradiation and size effect on the mechanical properties of ceramic materials to be used in a radiation environment.     

石墨烯辐照损伤及力学性能研究

石墨烯的加工和掺杂是其工程应用和性能开发的重要手段,离子辐照技术是实现上述目的的有效途径.利用分子动力学方法建立了硅离子辐照石墨烯和辐照后拉伸的数值模型.考虑辐照剂量、辐照能量和辐照角度这3个主要影响因素,研究了不同辐照条件下石墨烯的缺陷类型和数量,并分析了在辐照剂量影响下的拉伸破坏.结果表明:当辐照能量较小时,入射粒子会吸附在石墨烯表面.随着辐照能量的增大,入射粒子会穿透石墨烯而形成缺陷,当辐照能量到达一定值时,再无吸附原子.随着辐照剂量的增加,溅射原子和缺陷数目均增多,且缺陷类型以空位缺陷为主,其拉伸力学性能随着缺陷数量的增加而减小,二者近似成线性关系.辐照后石墨烯的拉伸破坏机理与完美石墨烯的有所不同,应力强化阶段明显缩短,缺陷带决定其起裂位置和断裂走向.