单轴应力场下钨中氦扩散行为的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学方法研究了沿<100>及<111>晶向的单轴应变对钨中单个氦原子扩散的影响。结果表明,应变会使得金属钨材料发生相变,且引起相变的临界应变随温度升高而减小。相变起始的应变在达到抗拉强度的应变附近。计算结果表明,拉应变使得单个氦原子在钨中的扩散系数发生骤降,在不同应变下扩散系数变化平缓。沿<100>晶向氦扩散系数随应变的增大而线性减小,而<111>晶向则出现了震荡变化趋势。研究结果表明,沿<100>晶向应变达到+0.15%时阿纽列斯方程不再适用,而沿<111>晶向应变大+5%阿纽列斯方程仍然适用;沿<111>晶向随应变增加氦扩散激活能减小,说明应变使得单个氦原子在钨中迁移性增强。     

金属钨中氦行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了氦在金属钨中的扩散聚集行为. 首先,建立了氦与钨原子间相互作用势,短程部分采用ZBL势形式,长程部分采用从头算法数据,实现了两者之间的平滑连接. 通过计算氦在钨中不同间隙位的形成能发现,单个氦原子更易存在于金属钨中的四面体间隙位,这与最新的研究成果是一致的. 在400-1200 K的温度范围内,考察了氦原子在金属钨中的扩散行为,获得了扩散迁移能,其值介于实验值和从头算法结果之间. 最后,研究了氦的聚集行为,从能量的角度考察了氦团簇形成初期的生长机理. 研究发现,在氦团簇形成初期,氦团簇对氦的结合能随着氦团簇的生长有逐渐增大的趋势,说明氦团簇吸收氦的能力逐渐增强. 关键词： 氦扩散 氦团簇 辐照损伤 分子动力学模拟     

α-Fe中氦泡阻碍位错移动硬化的分子动力学研究

基于周期性位错阵列模型,利用分子动力学方法,研究了α-Fe中1/2a0111{110}刃位错与3nm氦泡的相互作用导致硬化的过程,重点研究了不同温度下(300 K和623 K),氦空位比例对位错与3 nm氦泡作用机制影响的差异性.研究结果表明,当氦空位比例在0～1之间变化时,氦空位比例的变化对临界剪切应力的影响微弱,当氦空位比例在1～1.5之间变化时,氦泡内氦原子的数量的增加,临界剪切应力随之降低.氦空位比例升高至1.75时,高温623 K与室温相比,临界剪切应力反常升高,原因是高温引起的位错与氦泡的排斥机制:氦泡严重超压,与位错接触瞬间,沿位错拉伸侧踢出自间隙原子团簇,被位错吸收后产生割阶;由于位错割阶与超压氦泡同为压应力场,割阶被氦泡强烈排斥反弹.     

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—1...     

温度及深度对钛中氦泡释放过程影响的分子动力学研究

利用分子动力学模拟方法对温度及He泡深度给金属Ti内He泡的体积、压强和释放过程等带来的影响进行了研究. 首先, 通过研究室温下He泡在金属Ti内不同深度处的状态, 得到He泡的形状、压强、体积等物理量随其深度的变化规律. 发现He泡压强随其深度增加逐渐变大, 体积则逐渐减小, 但当He泡深度增大到2.6 nm时, 二者均维持在某个固定值附近. 然后对包含有He泡的Ti体系在温度作用下的演化过程进行了模拟, 发现不同深度处He泡从金属Ti内释放出来所需要的临界温度有很大差别, 总体来看He泡越深, 释放所需的临界温度越高. 但不同温度下He原子的释放速率没有明显差别, 释放过程几乎均为瞬间完成. 最后通过对He泡内部压强和其上方金属Ti薄层的抗张强度进行统计对比, 阐述了金属Ti 体内He泡的释放机制: 当He泡内部压强大于其上方Ti薄层抗张强度时, He泡就会将Ti 薄层撕裂, 从而使He原子得到释放.     

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.     

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。     

中能高浓度氦离子注入对钨微观结构的影响

采用15 keV, 剂量1×10¹⁷/cm², 温度为600 ℃氦离子注入钨, 分别以块体钨研究氦离子对钨的表面损伤; 以超薄的钨透射电镜样品直接注入氦离子, 研究该条件下钨的微观结构变化, 以了解氦离子与钨的相互作用过程; 采用扫描电子显微镜、聚焦离子束扫描显微镜、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜等分析手段研究氦离子注入对钨表面显微结构的影响及氦泡在钨微观结构演化中的作用.     

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     

Diffusion behavior of helium in titanium and the effect of grain boundaries revealed by molecular dynamics simulation

The microstructures of titanium(Ti), an attractive tritium(T) storage material, will affect the evolution process of the retained helium(He). Understanding the diffusion behavior of He at the atomic scale is crucial for the mechanism of material degradation. The novel diffusion behavior of He has been reported by molecular dynamics(MD) simulation for the bulk hcp-Ti system and the system with grain boundary(GB). It is observed that the diffusion of He in the bulk hcp-Ti is significantly anisotropic(the diffusion coefficient of the [0001] direction is higher than that of the basal plane),as represented by the different migration energies. Different from convention, the GB accelerates the diffusion of He in one direction but not in the other. It is observed that a twin boundary(TB) can serve as an effective trapped region for He.The TB accelerates diffusion of He in the direction perpendicular to the twinning direction(TD), while it decelerates the diffusion in the TD. This finding is attributable to the change of diffusion path caused by the distortion of the local favorable site for He and the change of its number in the TB region.     

Effect of grain boundary sliding on the toughness of ultrafine grain structure steel: A molecular dynamics simulation study

Molecular dynamics simulations are carried out to investigate the mechanisms of low-temperature impact toughness of the ultrafine grain structure steel. The simulation results suggest that the sliding of the {001}/{110} type and {110}/{111} type grain boundary can improve the impact toughness. Then, the mechanism of grain boundary sliding is studied and it is found that the motion of dislocations along the grain boundary is the underlying cause of the grain boundary sliding. Finally, the sliding of the grain boundary is analyzed from the standpoint of the energy. We conclude that the measures which can increase the quantity of the {001}/{110} type and {110}/{111} type grain boundary and elongate the free gliding distance of dislocations along these grain boundaries will improve the low-temperature impact toughness of the ultrafine grain structure steel.     

Theory and simulation of coupled grain boundary migration and grain rotation in low angle grain boundaries

Abstract

Microstructure evolution due to coupled grain boundary migration and grain rotation in low angle grain boundaries is studied through a combination of molecular dynamics and phase field modeling. We have performed two dimensional molecular dynamics simulations on a bicrystal with a circular grain embedded in a larger grain. Both size and orientation of the embedded grain are observed to evolve with time. The shrinking embedded grain is observed to have two regimes: constant dislocation density on the grain boundary followed by constant rate of increase in dislocation density. Based on these observations from the molecular dynamics simulations, a theoretical formulation of the kinetics of coupled grain rotation is developed. The grain rotation rate is derived for the two regimes of constant dislocation density and constant rate of change of dislocation density on the grain boundary during evolution. The theoretical calculation of the grain rotation rate shows strong dependence on the grain size and compares very well with the molecular dynamics simulations. A multi-order parameter based phase field model with coupled grain rotation is developed using the theoretical formulation to model polycrystalline microstructure evolution.     

镍基单晶超合金Ni/Ni3Al晶界的分子动力学模拟

在镍基单晶超合金中，由于单晶Ni的晶格常数比单晶Ni₃Al的稍小，在Ni/Ni3Al晶界面 上必然要出现错配.采用分子动力学模拟了镍基单晶超合金的Ni/Ni₃Al晶界的结 构，考虑 了两个不同的初始模型，并进行了分子动力学弛豫.弛豫的结果均表明：由于晶格的差异形 成的错配能不是通过长程晶格错配的方式来释放，而是通过在局部区域形成位错的方式释放 的.由于Ni₃Al相周围Ni相环境的不同，形成的位错也有所不同. 关键词： 镍基单晶超合金 晶界 分子动力学模拟     

Molecular dynamics simulation of stress and grain evolution

A three-dimensional molecular dynamics simulation is carried out to study the evolution of grains and stresses during the deposition of atoms on the (100) plane of a fcc regular crystal, using the cubic system with x–y periodic boundary conditions. At the bottom an atomic surface and at the top a reflecting wall are assumed. Atoms in the system interact via the Lennard–Jones potential. During simulation the films grow according to the Volmer–Weber mode and exhibit specific shape of the stress curves. When the film becomes continuous, the stress during the growth possesses a maximum value, but later new grain boundaries are formed. Individual atoms in the grain boundaries generate compressive stress in the films.     

晶粒生长演变相场法模拟界面表达的物理模型

讨论了当前固态组织演变过程的相场法模拟模型,论证了相场法中界面的概念以及模型中界面的各种处理方法,以AZ31镁合金再结晶系统为例,研究了模型参数取值对界面特征的影响,提出了晶界作用域的概念,阐述了晶界作用域就是相场模型中界面处有序化变量的变化范围,其物理意义是界面能量的分布范围,并对应于成分界面偏析的范围.模拟得出,晶界作用域宽度主要由梯度项系数决定,晶界能则由梯度项系数和耦合项系数共同决定.对于AZ31镁合金,模拟研究了晶界作用域宽度取值的合理性和对显微组织影响的关系,得出取值为1.18 μm时,模拟符 关键词： 相场法 界面 计算机模拟 显微组织