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。     

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.     

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     

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.     

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     

氦泡在bcc钨中晶界处成核长大的分子动力学模拟

钨(W)是潜在的聚变堆面向等离子体材料.聚变反应中产生的氦(He)不溶于金属W,并在其中易聚集形成He泡,使W基体发生脆化,从而导致W基体的性能发生退化.在前人工作的基础上,本文采用分子动力学研究了He泡在单晶bcc-W中以及bcc-W中∑3[211](110)和∑9[110](411)晶界处He泡形核长大初期的演化过程.结果发现,晶界处He泡的长大机制和单晶W中有所不同.单晶W中He泡通过挤出位错环促进长大.而He泡在∑3[211](110)晶界处的长大机制为:首先挤出并发射少量自间隙W原子,而后挤出1/2⟨111⟩位错线,随后,该位错线会沿晶界面上[111]方向迁移出去;在∑9[110](411)晶界处,He泡在我们的模拟时间尺度范围内没有观察到W自间隙子的发射和位错的挤出.     

分子动力学方法研究钛中预存缺陷对氦融合的影响

采用分子动力学方法模拟了在有预存氦空位复合物的体系中氦的迁移和融合,研究了氦融合的各向异性以及氦空位比和氦空位簇大小对氦融合的影响.研究发现:氦迁移的各向异性与体系中是否有氦空位簇无关;氦与氦空位簇的融合主要沿[001]方向;氦二聚物与氦空位簇的融合远快于单个氦原子与氦空位簇的融合.     

金属材料中氦的扩散与氦泡的形核生长研究

简述了金属材料中氦聚集行为的研究概况 ,特别是本课题组近年来对奥氏体不锈钢中氦扩散及氦泡形核生长机制的研究结果 ,并提出了这个领域有待解决的问题. Studies of diffusion and aggregation behaviour of helium in metallic materials are very important to solve the problem of helium embrittlement in structural materials used in the environment of nuclear power. Experimental studies on helium diffusion and aggregation in austenitic stainless steels in a wide temperature range have been performed in our research group and the main results obtained are briefly summarized. The mechanism of nucleation growth of helium bubbles has been...     

金属钛中氦团簇融合的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究了金属钛中氦的扩散聚集行为.在300—800K的温度范围内,模拟了钛基底中氦团簇之间的融合过程.研究发现,温度的升高会加快氦团簇的融合.在300—800K,融合后的氦团簇在所模拟的时间尺度内三维结构保持不变.模拟结果还表明,常温下氦团簇之间的吸引力是导致氦团簇融合的重要因素. 关键词： 氦团簇 团簇融合 分子动力学模拟     

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...     

Molecular dynamics study of helium bubble pressure in titanium

In this paper,the pressure state of the helium bubble in titanium is simulated by a molecular dynamics(MD) method.First,the possible helium/vacancy ratio is determined according to therelation between the bubble pressure and helium/vacancy ratio;then the dependences of the helium bubble pressure on the bubble radius at different temperatures are studied.It is shown that the product of the bubble pressure and the radius is approximately a constant,a result justifying the pressure-radius relation predicted by thermodynamics-based theory for gas bubble.Furthermore,a state equation of the helium bubble is established based on the MD calculations.Comparison between the results obtained by the state equation and corresponding experimental data shows that the state equation can describe reasonably the state of helium bubble and thus could be used for Monte Carlo simulations of the evolution of helium bubble in metals.     

掺He钛膜中He泡的演化研究

本文利用慢正电子束分析（SPBA）和透射电子显微镜（TEM）方法研究了钛膜内He相关缺陷的演化．实验结果表明：室温下,钛膜中的He主要形成均匀的小He泡．随着He浓度的增大,He泡的密度相应地增加．在973K高温退火后,在含高浓度He的钛膜样品中观测到大He泡的出现．实验结果表明迁移合并和较大He泡周围的级联融合共同作用导致了大He泡的形成．     

氦在材料中基于扩散机理的热释放特征

以随机扩散理论为基础,研究该机理下材料中氦的热释放可能呈现的特征,考察了氦的初始深度分布和扩散系数等因素对氦的热释放率的影响;阐明了随机扩散模型下和脱附模型下的氦释放特征之异同;指出对实验观察到的热解析谱的分析应和基底中氦的深度分布的分析以及氦的聚集状态的分析相结合,才能对氦的热释放机理给出正确的理解和判断. 关键词： 随机扩散 热释放 氦     

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.